Un proyecto que se lidera desde el Laboratorio de Astro-Ingeniería de la Ucsc diseñó y construyó un pionero radiotelescopio llamado MIST, con el que se han realizado distintas campañas en miras a alcanzar un objetivo que desafía a distintos grupos en el mundo y a los modelos teóricos que existen.
Varias decenas de millones de años tras el Big Bang se formaron las primeras estrellas que brillaron en el Cosmos; por eso dicho periodo se conoce como el cosmic down o amanecer cósmico, y es el que se desafió a divisar un grupo de investigadores del Laboratorio de Astro-Ingeniería de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica de la Santísima Concepción (Ucsc) en miras a revelar nuevos secretos sobre el origen del Universo.
Y para ello es que diseñaron y construyeron al pionero radiotelescopio MIST, por la sigla en inglés de Mapper of the IGM Spin Temperature. Es que los primeros astros no son posibles de observar directamente con los instrumentos tradicionales, resaltó el doctor Ricardo Bustos, investigador principal académico que lidera el proyecto de largo aliento que aborda un reto científico- tecnológico global desde la ciencia local y que cuenta con cruciales hitos de cara al ambicioso objetivo.
“El principal objetivo de MIST es detectar el espectro de la débil señal de 21 cm del hidrógeno neutro producida durante el amanecer cósmico”, precisó el doctor Bustos sobre la iniciativa que lidera junto al académico Raúl Monsalve y se está desplegando de la mano de financiamiento otorgado por la casa de estudios y fondos de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (Anid) a través de los concursos Quimal y Alma.
El proyecto tiene activa participación de estudiantes de Ingeniería Civil Eléctrica Ucsc y la colaboración de investigadores de la Universidad de Chile, Universidad de McGill de Canadá, Universidad Ecci de Colombia, Observatorio Nacional de Radioastronomía de Estados Unidos y Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth de Australia.
Ha sido más de una década de trabajo y dedicación los que dan promisorios resultados, pues la historia partió en el año 2013. “En ese tiempo el espectro de la señal de 21 cm era predicha por los modelos cosmológicos sin ser detectada hasta ese momento”, explicó Bustos.
Y la razón ha estado en su gran debilidad, por ser de los inicios del Universo, lo que planteaba dos grandes retos a superar. En términos tecnológicos estaba tener una herramienta que llegara a esos pequeños niveles de detección y en lo astronómico encontrar un buen sitio para realizar la observación.
El primer foco estuvo en determinar si las observaciones eran posibles de realizar desde el territorio chileno y ahí el primer logro: “el año 2015 encontramos un sitio al este de San Pedro de Atacama con excelentes condiciones”, afirmó. La razón es que en esa área, en pleno altiplano, se está en gran altura con baja humedad y la presencia e interferencia de la actividad humana e iluminación artificial casi se desvanece, por lo que es uno de los puntos de la Tierra donde el firmamento se ve en su máxima pureza y así también epicentro mundial de la investigación astronómica.
Entonces, había que buscar los recursos que permitieran materializar al MIST y el éxito en el proceso derivó en lograr su diseño e iniciar su construcción en 2018. Y el investigador principal relevó que se le dio vida como un instrumento transportable cuya antena está conectada a un receptor que amplifica la señal que capta.
Al respecto, explicó que “partes del instrumento se han construido en Concepción, Montreal y Berkeley. El análisis de datos también se realiza en distintos lugares”. Esto está directamente relacionado con las colaboraciones con entidades extranjeras que son clave en el desarrollo de la iniciativa.
En este contexto, han realizado distintas campañas de observación con el MIST entre 2022 y 2023. “Los lugares que hemos observado han sido en la estación científica MARS de la Universidad McGill en el Ártico canadiense, en Uapishka Canadá, y en el desierto de California y de Nevada en Estados Unidos”, precisó.
Y adelantó que hasta MARS volverán en abril de este año para ejecutar una nueva campaña de tres semanas y luego llevarán al instrumento para realizar observaciones a San Pedro de Atacama. Además, sostuvo que “otros sitios interesantes con potenciales bajos niveles de contaminación en radio que quisiéramos explorar a futuro es la Patagonia y la Antártica”.
Ser de bajo requerimiento energético y transportable son dos ventajas que destacan al MIST, ideado para su emplazamiento y observación en distintos sitios remotos, los más alejados posibles de lugares urbanos y de la actividad humana.
Cuestiones esenciales, porque el doctor Ricardo Bustos explicó que para lograr detectar la débil señal cosmológica de 21 cm del amanecer cósmico el MIST observa en la banda de frecuencias de 25 a 105 MHz. “Son las mismas frecuencias que emiten las señales de televisión, las radios FM y las comunicaciones VHF (frecuencia muy alta). Estas señales representan una contaminación en el espectro que afectan nuestras observaciones”, advirtió.
“Por lo tanto, debemos ir a lugares donde estas señales casi no existan o sean muy débiles. Existen pocos lugares en el mundo con estas condiciones y uno es la zona al este de San Pedro de Atacama, donde las transmisiones están muy lejanas y las pocas que puedan llegar son protegidas por el cordón montañoso de la Cordillera de los Andes”, destacó.
Por otro lado aclaró que el MIST no usa un plano de tierra metálico como otros instrumentos, lo obliga a determinar con una alta precisión las propiedades eléctricas del suelo donde se instalará.
Ventajas y diferencias que, evidentemente, están permeadas por la complejidad técnica para su diseño y operación que está a la altura de un ambicioso objetivo científico-astronómico que al lograrse va significar un enorme hito para la humanidad que desde antaño ha indagado sobre los orígenes del Universo y su posición en éste.
El MIST tiene una alta capacidad para filtrar las interferencias que existen hasta en los puntos remotos y prístinos del planeta, que dan desde el propio radiotelescopio hasta el ruido de la galaxia e influencia del suelo. Cada uno de estos elementos se debe someter a un minucioso y exitoso proceso de eliminación que permita aislar la señal del hidrógeno neutro entre el caos cósmico.
“Siguiendo la evolución del Universo desde el Big Bang y la radiación de fondo cósmico de microondas, viene una época en que lo único que existía era una gran ‘sopa gigante’ compuesta mayormente por hidrógeno neutro. Esta etapa se conoce como Época Oscura, dado que no hay objetos ni estrellas que emitan luz que podamos ver hasta que unos 100 a 200 millones de años después del Big Bang se forman las primeras estrellas”, explicó el doctor Bustos para ahondar en el fenómeno que abordan.
Y profundizó que “el hidrógeno neutro de esa época emite una señal a 1420 MHz y al observar hacia el pasado esa señal se va corriendo hacia más bajas frecuencias”.
Par a propiciar la mejor comprensión de ello entregó como ejemplo lo que sucede al escuchar la sirena de ambulancia, que si bien es de un tono alto se va escuchando cada vez más bajo en tanto más se aleja. Y cuando el Universo se aleja mucho o se mira hacia el pasado es que las frecuencias se desplazan hacia unas cada vez más bajas.
En efecto, sostuvo que “encontrar esa señal en la banda 25-105 MHz permitirá acercarse a observar esta época y la del amanecer cósmico, justo en el periodo del Universo cuando se forman las primeras estrellas”.
Por ende, si la observación de MIST tiene éxito, si el grupo supera cada uno de los desafíos que lleven a lograr el ambicioso objetivo, Bustos aseguró que puede entregar información que sea la pieza faltante para comprender la transición cósmica entre la época oscura y el amanecer cósmico del Universo que luego evolucionó al que se conoce hoy.
Y eso da cuenta de la trascendencia global e histórica de este proyecto, por ende de su papel para la ciencia local, que se ejecuta a la par con varios otros que están buscando el espectro de la señal cosmológica de 21 cm a nivel internacional. En este sentido el académico Ucsc destacó a los proyectos e instrumentos Saras, CTP, Prizm, Reach, LEDA y Edges.
“Edges ha sido el único radiotelescopio en reportar el espectro el año 2018. Sin embargo, sus resultados difieren de los modelos teóricos, por lo que resulta necesario verificarlos con mediciones independientes”, afirmó.
Ahí el rol clave que juega el MIST y el hallar un sitio en Chile, u otro punto de la Tierra, para realizar nuevas observaciones del misterioso periodo cósmico que permitan verificar si la detección del instrumento fue real o no y si los modelos son correctos.
“De confirmarse los resultados de Edges por MIST se necesitará una revisión de los modelos teóricos cosmológicos actuales”, aseveró Bustos. Eso significaría un cambio de paradigma impactante a nivel global e impulsado desde ciencia que se lidera desde Concepción.