Radio Astronomy: The achievements and the challenges Luis F. Rodríguez Centro de Radioastronomía y Astrofísica, UNAM Campus Morelia and El Colegio Nacional Karl Jansky:1932 ALMA: 2013

A little history and background. Achievements of radio astronomy. Radio astronomy in Mexico. The future of radio astronomy. Sumary:

In 1609 Galileo uses the telescope for the first time to study the sky… Since then, progress in astronomy has been related to technological developments..

James Clerk Maxwell ( ), discovers that light is part of a more general phenomenon: electromagnetic radiation.

Electromagnetic radiation is constituted by waves of different wavelengths.

Wave equation: = wavelength = frequency c = speed of light Astronomers use sometimes wavelength, sometimes frequency, and sometimes energy.

Infrared Ultraviolet

Las predicciones de Maxwell son comprobadas por Heinrich Hertz, quien en 1888 logra producir y detectar ondas de radio

Rays X Rays UV Visible Infrared Radio

Karl Jansky c. 1932

Grote Reber ( ) W9GFZ

Contour maps by Reber The Second War World brings the development of radar, a technique closely related to radio astronomy

A modern radio telescope

Why studying other windows (besides the visible one) of the electromagnetic spectrum?

Because there are objects and phenomena that emit basically in one of the windows. Even those that emit in light and in other bands, one sees very different things…

RADIO

VISIBLE

Neutral Hydrogen in Galaxies NGC 6946 In grey we see the stars In blue the emission from the atomic hydrogen (21-cm line). Hydrogen is much more extended than stars. The rotation of hydrogen has been crucial to infer the existence of dark matter.

Atomic hydrogen Sometimes you find unexpected things… Optical image of M81 Group (DSS) Streams of gas between these interacting galaxies.

Major discoveries Over the years, there have been four Nobel Prizes in Physics given to radio astronomers… These were given for the discovery and study of sources that are esentially detectable only at radio wavelengths.

As a matter of fact… We already mentioned that the discovery of radio waves from space resulted from trying to solve a problem of telecommunications. The discovery of the cosmic microwave background also came from studying a problem of telecommunications.

1960: Echo 1

Types of radio telescopes Basically, radio telescopes come in two varieties: single dishes or interferometers.

Single dish

Advantages of a single dish Relatively simple Detection of radiation does not have to preserve phase information and bolometers can be used.

SIGNAL TRAJECTORY:

Trayecto de la señal Filtro Multiplicador Amplificador de bajo ruido Oscilador Local Amplificador de Frecuencia Intermedia Espectrómetro más Registro y Procesamiento

Bolómetro de 1–pixel La radiación es interceptada, el material absorbente se calienta, y el cambio de temperatura es medido por el termistor. enlace térmico cables Reservorio frío a baja temperatura absorbente termistor radiación

The angular resolution of a single dish is modest, comparable with that of the human eye! How to improve on this? Angular Resolution= Wavelength/Diameter of Dish

Very Large Array Interferometer

Advantages of an interferometer Better angular resolution Can produce images with millions of pixels Substitute steel with electronics Provide positions with amazing precision However, they are complex and hard to maintain, and require detectors that preserve the phase information of the signal, for example, HEMT (High Electron Mobility Transistors) and SIS (Superconducting-Insulator-Superconducting) devices.

Emisión sincrotrónica Electrones de muy alta velocidad (relativistas) en un campo magnético emiten la llamada radiación sincrotrónica que generalmente sólo se puede ver (o sea detectar) en la ventana de radio. Es la radiación que detectaron Jansky y Reber, proveniente del plano de la Galaxia.

Synchrotron radiation

Radio galaxy Fornax A Radio

Expansión Supernovas en Otras Galaxias

Emission from warm dust El polvo existente en distintos objetos cósmicos emite radiación que se puede ver (o sea detectar) en la ventana de radio. Sirve, por ejemplo, para ver los discos alrededor de las estrellas en formación.

Radio astronomy in Mexico Only about 150 astronomers in total in Mexico. A dozen of them focused in radio astronomy (observations and theory). Observers use radio telescopes in other countries (USA, Europe, Japan, Australia) to do their work.

Present paradigm of stellar formation

Dust emission from a disk that presumably will form plantets in the future

Compact disk?

But, what can be consider the biggest achievement of radio astronomy? Beyond the specific discoveries, radio astronomy persuaded astronomers that it was worthwhile to study the Universe outside the optical window…

Multiwavelength astronomy

Luz, ondas de radio, rayos X… En cierto modo lo mismo (todas obedecen las leyes de Maxwell)… Pero también diferentes. Así como con la luz se pueden hacer imágenes, espectroscopía, etc., lo mismo es válido para las otras ventanas, sólo que hay que tener los aparatos adecuados.

¿Cómo podemos estudiar los astrónomos al resto del lejano Universo? Luz y las otras Formas de la Radiación Electromagnética Neutrinos Rayos Cósmicos Ondas Gravitacionales Ahora se habla de una astronomía multifrecuencia, sino de una astronomía multimensajero…,

Cosmic rays

Neutrinos

Gravitational waves Multimessenger astronomy!

La Radioastronomía en México Alrededor de 12 observadores y 6 teóricos (hay sólo como 150 astrónomos profesionales trabajando en México). Hasta ahora, todas las observaciones se han hecho en observatorios de otros países que están abiertos a usuarios externos. Hay dos grandes proyectos en desarrollo: Gran Telescopio Milimétrico (INAOE) Colaboración con el EVLA y ALMA (UNAM)

Gran Telescopio Milimétrico o Large Millimeter Telescope: un proyecto del INAOE y la U. de Massachusetts

The Large Millimeter Telescope: a collaboration between INAOE and UMass

Atacama Large Millimeter Array = ALMA

Atacama Large Millimeter Array Located in Chajnantor, Chile in the Atacama desert at 5,000 meters of elevation. 64 antennas in final array. Financed by North America, Europe, Japan and Taiwan at a cost of 1.4 billion US dollars. Mexican radio astronomers will have competitive access to ALMA (we published second paper with ALMA data).

Thank you for your attention

El objetivo principal de ALMA será ayudar a entender el Universo Frío: la formación de galaxias en el pasado y la formación de estrellas y planetas en el pasado y en el presente. Los procesos de formación pueden entenderse mejor en las ondas milimétricas y submilimétricas. ALMA será extremadamente versátil y podrá atacar una gran variedad de problemas astronómicos. Se esperan primeros resultados a fines de 2011 y funcionamiento completo en 2012.

Radioastronomía e Ingenierías Ingeniería mecánica: diseño y construcción de los radiotelescopios. Ingeniería electrónica: diseño y construcción de los receptores y de la electrónica asociada. Ingeniería en computación: registro y manejo de grandes volúmenes de datos.

Conclusiones La radioastronomía tiene un futuro prometedor en nuestro país. Después de la radioastronomía comienza a haber en México astrónomos trabajando en la astronomía de rayos X y rayos gama, así como en rayos cósmicos, neutrinos, y ondas gravitacionales. México trata de mantener una actividad moderna y relevante en el mundo cada vez más competitivo de la astronomía en particular y la ciencia en general.

Muchas gracias por su atención

La Ventana de Radio Va de longitudes de onda desde 20 m a 0.3 mm (¡un factor de casi 10,000!). En contraste, la ventana óptica va de 0.8 a 0.4 m (un factor de sólo 2). => Uno no puede observar toda la ventana de radio con el mismo tipo de radiotelescopio.

¿Y si queremos mayor resolución angular?

Interferometría de Base Muy Larga Se puede obtener aún más resolución angular con esta técnica, Esto porque la resolución angular de un interferómetro va como (longitud de onda)/(separación máxima). No siempre es aplicable, la fuente tiene que ser muy compacta e intensa (procesos de emisión no-térmicos). Con esta técnica se pueden medir muchos efectos sutiles, como la paralaje.