Nuevo dispositivo mejora la precisión de calibración del CMB

Los experimentos del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) analizan la débil radiación que quedó del universo primitivo. Para obtener resultados correctos, estos experimentos deben medir cómo está polarizada la luz, lo que es como medir la dirección en la que se mueven las ondas de luz. Como no hay fuentes naturales para calibrar la Polarización, se ha creado una nueva herramienta llamada PROTOCALC. Este dispositivo está hecho para telescopios de CMB que operan en la banda de 90 gigahercios. Produce una fuente de luz polarizada conocida con alta precisión.

#La Necesidad de una Calibración Precisa

La calibración precisa es crucial para los instrumentos de CMB. Si los dispositivos que se usan para medir la luz no funcionan correctamente, puede llevar a errores en la comprensión de detalles cósmicos importantes. Por ejemplo, instrumentos mal calibrados podrían hacer que los científicos se pierdan señales como ondas gravitacionales del universo temprano o no vean cómo la gravedad afecta la luz del CMB.

Los científicos buscan una precisión muy alta al medir el ángulo de polarización, que es de aproximadamente 0.2 grados o mejor. Esta precisión es vital para detectar ciertos fenómenos del universo temprano. Uno de estos fenómenos es la birrefringencia cósmica, que podría indicar cómo actuaban ciertas fuerzas en ese entonces. La mejor fuente natural disponible para esta medición, llamada TAU-A, no está suficientemente entendida para su uso en CMB, lo que resalta la importancia de tener una fuente artificial confiable.

#El Dispositivo PROTOCALC

PROTOCALC, que significa PROTOtipo CALibrador para Cosmología, fue creado con apoyo del programa de investigación Horizonte 2020. El objetivo era diseñar una fuente capaz de proporcionar un ángulo de polarización preciso para telescopios de CMB. La versión usada para las pruebas iniciales voló por primera vez en mayo de 2022 y produjo resultados alentadores.

La versión actualizada de PROTOCALC se centra en ser más liviana y eficiente. La plataforma que lleva el dispositivo es el dron DJI Matrice 600 Pro, que está equipado con un dispositivo estabilizador llamado gimbal. Esto ayuda a mantener la fuente estable durante el vuelo. El equipo trabajó en reducir el peso de la carga útil usando materiales como PLA, que es un tipo de plástico impreso en 3D. Este cambio mejora el tiempo que el dispositivo puede estar en el aire, lo cual es clave para propósitos de calibración.

#Mejoras en el Diseño

El nuevo diseño del dispositivo PROTOCALC es significativamente más liviano que la versión anterior. Esto se logró al cambiar materiales y diseñar una carga útil que incluye dos partes para un acceso más fácil. La carga útil impresa en 3D tiene agujeros para ayudar con la disipación del calor, lo cual es crucial cuando el dispositivo está generando luz polarizada.

Aunque el PLA tiene propiedades térmicas diferentes en comparación con el aluminio, el nuevo diseño mantiene la precisión necesaria. La alineación que se necesita para el dispositivo también se mantiene consistente con mediciones anteriores. Se ha asegurado una conexión robusta entre la carga útil y el gimbal usando un acoplamiento de metal para mayor seguridad.

#Gestión Mecánica y Térmica

El cambio de materiales trajo desafíos, especialmente porque el PLA no es tan fuerte como el aluminio. La carga útil debe funcionar correctamente bajo condiciones específicas, incluso a gran altitud donde la presión del aire es baja. El equipo usó simulaciones para evaluar qué tan bien manejaría el nuevo diseño estas condiciones, observando de cerca cómo la estructura maneja el estrés y el calor.

Los resultados de las simulaciones mostraron que el nuevo diseño puede manejar temperaturas operativas y mantiene la estabilidad durante el vuelo. La primera frecuencia de resonancia de la nueva carga útil está en un nivel seguro basado en experiencias de pruebas previas, lo que significa que debería funcionar como se necesita en condiciones reales.

#Sistema de Software y Control

Una gran actualización para el PROTOCALC fue la introducción de una Raspberry Pi 4. Este dispositivo se comunica con múltiples sensores, gestionando sus datos de manera más eficiente que la versión anterior. El software de control ejecuta varias tareas, incluyendo iniciar la cámara y registrar la hora con precisión. Esta precisión es esencial para asegurar que todos los datos se recojan de forma sincronizada.

La tecnología permite al equipo recopilar más información, ya que se introdujeron más sensores para mejorar el proceso de calibración general. La nueva configuración incluye dispositivos como GPS y sensores para monitorear condiciones ambientales, lo que puede ayudar a mejorar la precisión de las mediciones.

#Recolección de Datos y Campañas de Vuelo

PROTOCALC ha pasado por varias campañas de vuelo para probar su efectividad. Los vuelos más recientes ocurrieron entre 2022 y 2024 y se centraron en perfeccionar los métodos de recolección de datos. El equipo encontró que escanear en azimut mientras movía el dron hacia arriba y hacia abajo proporcionaba la atmósfera más consistente para la medición.

En los vuelos anteriores, la cámara estaba configurada para tomar imágenes fijas, pero en las pruebas más recientes, el enfoque cambió a video. Las grabaciones de video ofrecen una mayor cobertura de datos, permitiendo una mejor observación y medición. Se desarrollaron algoritmos para identificar objetivos específicos en los fotogramas de video, facilitando el análisis de los datos recopilados.

El dispositivo experimentó menos deriva térmica en el diseño más nuevo, lo que significa que las mediciones durante los vuelos fueron más confiables. Las señales emitidas por PROTOCALC eran visibles para los telescopios en tierra, lo que indica que el dispositivo estaba funcionando bien durante estas misiones.

#Resultados y Pasos Futuros

Hasta ahora, el proyecto PROTOCALC ha mostrado resultados prometedores de las pruebas realizadas. Además de mejorar la carga útil, el sistema ahora puede albergar fuentes adicionales que podrían ayudar a calibrar otras bandas de frecuencia necesarias para los telescopios de CMB.

A medida que el equipo mira hacia adelante, planean futuras campañas que expandirán el uso de varios sensores y mejorarán aún más la precisión del apuntado. Con mejoras continuas, PROTOCALC está listo para jugar un papel importante en avanzar el estudio de los primeros momentos del universo, llevando a una mejor comprensión de sus inicios y fuerzas fundamentales.