Аспиранты Закари Хубер (слева) и Бен Келлер устанавливают компоненты детекторной матрицы для обсерватории Саймонса в один из холодильников для разбавления в лаборатории Майкла Нимака. Фото предоставлено: Майкл Нимак
Почти 14 миллиардов лет назад Вселенная возникла в загадочной туманности. Новая обсерватория Саймонса в чилийской пустыне Атакама вскоре сможет ответить на большой научный вопрос о том, что произошло за эту крошечную долю секунды после Большого взрыва.
Обсерватория Саймонса состоит из телескопа с большой апертурой и трех телескопов поменьше с апертурой около полуметра — «очень размером с человека», — сказал Майкл Нимак, профессор физики и астрономии в Колледже искусств и наук, который руководил обсерваторией. Команда Корнелла возглавляет сотрудничество между несколькими учреждениями. Два телескопа с малой апертурой завершили свои первоначальные испытания и начались первые научные наблюдения, что стало важной вехой в десятилетнем проекте.
Телескоп с большой апертурой, когда он заработает, обеспечит лучшие измерения постоянной Хаббла и поможет объяснить, почему и как Вселенная в настоящее время расширяется, в то время как три телескопа с малой апертурой прольют свет на начальную инфляцию Вселенной, которую будет излучать Вселенная.
По словам Нимака, телескоп с большой апертурой аналогичен субмиллиметровому телескопу Фреда Янга (FYST), над которым он также работает и который Корнелл и его партнеры строят в Чили, за исключением того, что телескоп обсерватории Саймонса предназначен для работы на более длинных дистанциях. Длины волн разработаны как FYST.
«Телескопы обсерватории Саймонса могут измерять сигналы возможного экспоненциального расширения, которое, как мы полагаем, произошло через долю секунды после Большого взрыва», — сказал Нимак. Эти сигналы представляют собой флуктуации поляризации космического микроволнового фонового (CMB) излучения, вызванные гравитационными волнами, возникшими сразу после Большого взрыва.
«В этих телескопах используются одни из самых совершенных когда-либо созданных массивов детекторов космического микроволнового фона», — сказал он.
Аспирант Бен Келлер и его коллега из Принстона Сюзанна Стэггс установили детекторную решетку в один из телескопов с малой апертурой в обсерватории Саймонса в октябре прошлого года. Фото предоставлено: Юхан Ван
Начало научных наблюдений стало волнующим моментом для команды Нимака, которая в настоящее время состоит из четырех студентов, семи аспирантов, трех постдокторантов и волонтера из местной средней школы. Команда потратила годы на разработку детекторной матрицы, а также на внедрение и тестирование каждой из подсистем телескопа в рамках сотрудничества под руководством ведущего исследователя Брайана Китинга из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
«Мы надеемся сделать открытия с помощью этих телескопов, но пока не знаем точно, что мы узнаем о Вселенной, ее самых ранних галактиках и скоплениях галактик, когда эти новые телескопы начнут работать», — сказал аспирант Закари Хубер. «Я воодушевлен этими открытиями, независимо от того, соответствуют ли они нашим ожиданиям или нет».
В каждом из телескопов с малой апертурой имеется семь детекторных решеток, расположенных в шестиугольной форме: одна находится в центре и окружена шестью другими. Каждая из этих решеток содержит почти 2000 детекторов.
«Детекторы должны быть охлаждены до очень низких температур – минус 273 градуса Цельсия, или примерно на одну десятую градуса выше абсолютного нуля – чтобы сделать их чрезвычайно чувствительными к крошечным изменениям интенсивности света из ранней Вселенной, которые мы обнаруживаем с помощью наших детекторов. Телескопы измеряют», — сказал Нимак.
По словам Нимака, массив детекторов очень сложен. Оптические компоненты собирают свет; небольшие антенны измеряют две разные линейные поляризации света за каждым из оптических компонентов. Наноструктуры пропускают свет через схемы в матрице детекторов, а затем преобразуют его в тепло, которое можно измерить с помощью сверхпроводящих датчиков края перехода, которые работают в точке сверхпроводящего перехода и, следовательно, могут использоваться в качестве чрезвычайно чувствительных термометров.
В дополнение к своей работе по тестированию частей детекторных решеток для телескопа и характеристике работы детекторов, докторант Бен Келлер также взял на себя особенно нервную задачу: он был одним из сотрудников, которые лично перевозили детекторные матрицы из телескопа. США в Чили пришлось.
«Поскольку каждый массив стоит сотни тысяч долларов и чрезвычайно хрупок, транспортировка его через четыре аэропорта была серьезной проблемой», — сказал Келлер. «Конечно, нам пришлось быть еще более осторожными при установке его на телескоп».
Обсерватория Саймонса расположена на высоте 5117 метров над Серро Токо в Андах, что усложняет работу и требует подачи кислорода.
«Работа на этой высоте была очень напряженной», — сказал Келлер. «Воздух разрежен, а солнце очень жаркое. В первый же день я обгорел от двух слоев одежды».
В прошлом году Хубер был в Чили с двумя своими коллегами из Йельского университета, где устанавливал несколько компьютеров, сетевое оборудование, массивный накопитель и другую вычислительную инфраструктуру, которая будет обрабатывать и хранить данные, поступающие с телескопов.
«Одной из причин участия в этой специальной поездке было то, что нам в конечном итоге необходимо закупить и установить очень похожее оборудование для FYST», — сказал Хубер, который работал над этим в течение прошлого года.
Даже несмотря на то, что все четыре телескопа обсерватории Саймонса активно используются в научных целях, исследования и разработка инструментов Нимака и его команды еще не завершены. Обсерватория Саймонса уже начала строительство дополнительных детекторов и оптики для телескопа с большой апертурой, а также солнечных панелей для питания обсерватории.
Информация от: Корнельским университетом
