Nuovo dispositivo migliora la precisione della calibrazione CMB

Gli esperimenti sul Fondo Cosmico a Microonde (CMB) guardano alla debole radiazione rimasta dall’universo primordiale. Per ottenere risultati corretti, questi esperimenti devono misurare come la luce è polarizzata, che è come misurare la direzione in cui si muovono le onde luminose. Poiché non ci sono fonti naturali per la Calibrazione della Polarizzazione, è stato creato un nuovo strumento chiamato PROTOCALC. Questo dispositivo è progettato per i telescopi CMB che operano nella banda di 90 gigahertz. Produce una fonte di luce polarizzata nota con alta precisione.

#La Necessità di una Calibrazione Accurata

Una calibrazione accurata è fondamentale per gli strumenti CMB. Se i dispositivi usati per misurare la luce non funzionano correttamente, possono portare a errori nella comprensione di dettagli cosmici importanti. Ad esempio, strumenti mal calibrati potrebbero far sì che gli scienziati perdano segnali come le onde gravitazionali dall'universo primordiale o non vedano come la gravità influisce sulla luce del CMB.

Gli scienziati puntano a un’accuratezza molto alta quando misurano l'angolo di polarizzazione, che è di circa 0,2 gradi o meglio. Questa precisione è vitale per rilevare certi fenomeni dell'universo primordiale. Uno di questi fenomeni è la birifrangenza cosmica, che potrebbe indicare quali forze erano in gioco all’epoca. La migliore fonte naturale disponibile per questa misurazione, chiamata TAU-A, non è abbastanza compresa per l'uso CMB, il che evidenzia l'importanza di avere una fonte artificiale affidabile.

#Il Dispositivo PROTOCALC

PROTOCALC, l'abbreviazione di PROTOtype CALibrator for Cosmology, è stato creato con il supporto del programma di ricerca Horizon 2020. L'obiettivo era progettare una fonte capace di fornire un angolo di polarizzazione accurato per i telescopi CMB. La versione utilizzata per i test iniziali è volata per la prima volta a maggio 2022 e ha prodotto risultati incoraggianti.

La versione aggiornata di PROTOCALC si concentra sull’essere più leggera ed efficiente. La piattaforma usata per trasportare il dispositivo è il drone DJI Matrice 600 Pro, dotato di un dispositivo di stabilizzazione chiamato gimbal. Questo aiuta a mantenere la fonte stabile durante il volo. Il team ha lavorato per ridurre il peso del carico utile utilizzando materiali come il PLA, che è un tipo di plastica stampata in 3D. Questa modifica aumenta il tempo che il dispositivo può rimanere in aria, fondamentale per le esigenze di calibrazione.

#Miglioramenti di Design

Il nuovo design del dispositivo PROTOCALC è significativamente più leggero della versione precedente. Questo è stato raggiunto cambiando materiali e progettando un carico utile che include due parti per un accesso più facile. Il carico utile stampato in 3D ha fori per aiutare con la dissipazione del calore, che è cruciale quando il dispositivo genera luce polarizzata.

Anche se il PLA ha proprietà termiche diverse rispetto all'alluminio, il nuovo design mantiene l'accuratezza necessaria. L'allineamento richiesto per il dispositivo rimane anche coerente con le misurazioni precedenti. È stata assicurata una connessione robusta tra il carico utile e il gimbal utilizzando una coda metallica per la sicurezza.

#Gestione Meccanica e Termica

Cambiare materiali ha portato delle sfide, specialmente perché il PLA non è forte come l'alluminio. Il carico utile deve funzionare correttamente in condizioni specifiche, anche ad alta quota dove la pressione atmosferica è bassa. Il team ha utilizzato simulazioni per valutare quanto bene il nuovo design potrebbe affrontare queste condizioni, esaminando attentamente come la struttura gestisce stress e calore.

I risultati delle simulazioni hanno mostrato che il nuovo design può gestire temperature operative e mantiene stabilità durante il volo. La prima frequenza di risonanza del nuovo carico utile è a un livello sicuro in base alle esperienze di test precedenti, il che significa che dovrebbe funzionare come necessario in condizioni reali.

#Software e Sistema di Controllo

Un aggiornamento importante per il PROTOCALC è stata l'introduzione di un Raspberry Pi 4. Questo dispositivo comunica con diversi sensori, gestendo i loro dati in modo più efficiente rispetto alla versione precedente. Il software di controllo esegue varie operazioni, tra cui avviare la telecamera e registrare il tempo con precisione. Questa precisione è essenziale per garantire che tutti i dati vengano raccolti in sincronia.

La tecnologia consente al team di raccogliere più informazioni, poiché sono stati introdotti più sensori per migliorare il processo di calibrazione generale. Il nuovo setup include dispositivi come GPS e sensori per monitorare le condizioni ambientali, il che può aiutare a migliorare l'accuratezza delle misurazioni.

#Raccolta Dati e Campagne di Volo

PROTOCALC ha subito diverse campagne di volo per testarne l'efficacia. Gli ultimi voli si sono svolti tra il 2022 e il 2024 e si sono concentrati sul perfezionamento dei metodi di raccolta dati. Il team ha scoperto che scansionare in azimut mentre muovevano il drone su e giù forniva l'atmosfera più coerente per la misurazione.

Nei voli precedenti, la telecamera era impostata per scattare immagini fisse, ma per i test recenti, l'attenzione si è spostata sul video. Le riprese video offrono una copertura dati più ampia, consentendo una migliore osservazione e misurazione. Sono stati sviluppati algoritmi per identificare obiettivi specifici nei fotogrammi video, rendendo più facile analizzare i dati raccolti.

Il dispositivo ha sperimentato meno deriva termica nel nuovo design, il che significa che le misurazioni durante i voli erano più affidabili. I segnali emessi da PROTOCALC erano visibili ai telescopi a terra, indicando che il dispositivo stava funzionando bene durante queste missioni.

#Risultati e Passi Futuri

Finora, il progetto PROTOCALC ha mostrato risultati promettenti dai test effettuati. Oltre a migliorare il carico utile, il sistema ora può ospitare fonti aggiuntive che potrebbero aiutare a calibrare altre bande di frequenza necessarie dai telescopi CMB.

Mentre il team guarda al futuro, pianifica campagne future che espanderanno l’uso di vari sensori e miglioreranno ulteriormente la precisione del puntamento. Con continui miglioramenti, PROTOCALC è destinato a giocare un ruolo significativo nell'avanzare lo studio dei primi momenti dell'universo, portando a una migliore comprensione delle sue origini e delle forze fondamentali.