Novo dispositivo melhora a precisão da calibração do CMB

Experimentos do Cosmic Microwave Background (CMB) analisam a radiação fraca que sobrou do início do universo. Pra conseguir resultados certos, esses experimentos precisam medir como a luz tá polarizada, o que é tipo medir a direção que as ondas de luz tão se movendo. Como não tem fontes naturais pra calibrar Polarização, uma nova ferramenta chamada PROTOCALC foi criada. Esse dispositivo é feito pra telescópios de CMB que operam na faixa de 90 gigahertz. Ele produz uma fonte de luz polarizada conhecida com alta precisão.

#A Necessidade de Calibração Precisa

Calibração precisa é super importante pra instrumentos de CMB. Se os aparelhos usados pra medir a luz não funcionam certinho, pode dar erro na compreensão de detalhes cósmicos importantes. Por exemplo, instrumentos mal calibrados podem fazer com que os cientistas percam sinais, como ondas gravitacionais do início do universo, ou deixem de ver como a gravidade afeta a luz do CMB.

Os cientistas buscam uma precisão muito alta quando medem o ângulo de polarização, que é cerca de 0,2 graus ou melhor. Essa precisão é vital pra detectar certos fenômenos do início do universo. Um desses fenômenos é a birrefringência cósmica, que poderia mostrar como certas forças agiam naquela época. A melhor fonte natural disponível pra essa medição, chamada TAU-A, não é bem entendida o suficiente pra uso no CMB, o que destaca a importância de ter uma fonte artificial confiável.

#O Dispositivo PROTOCALC

O PROTOCALC, que é a sigla pra PROTOtype CALibrator for Cosmology, foi criado com apoio do programa de pesquisa Horizon 2020. O objetivo era projetar uma fonte que pudesse fornecer um ângulo de polarização preciso pra telescópios de CMB. A versão usada nos testes iniciais voou pela primeira vez em maio de 2022 e produziu resultados encorajadores.

A versão atualizada do PROTOCALC foca em ser mais leve e eficiente. A plataforma usada pra carregar o dispositivo é o drone DJI Matrice 600 Pro, que vem com um estabilizador chamado gimbal. Isso ajuda a manter a fonte estável durante o voo. A equipe trabalhou pra reduzir o peso da carga usando materiais como PLA, que é um tipo de plástico impresso em 3D. Essa mudança aumenta o tempo que o dispositivo pode ficar no ar, o que é fundamental pra fins de calibração.

#Melhorias de Design

O novo design do dispositivo PROTOCALC é bem mais leve que a versão anterior. Isso foi conseguido trocando materiais e projetando uma carga que inclui duas partes pra facilitar o acesso. A carga impressa em 3D tem furos pra ajudar na dissipação de calor, que é crucial quando o dispositivo tá gerando luz polarizada.

Enquanto o PLA tem propriedades térmicas diferentes do alumínio, o novo design mantém a precisão necessária. O alinhamento que o dispositivo precisa também continua consistente com medições passadas. Uma conexão robusta entre a carga e o gimbal foi garantida usando um encaixe de metal pra segurança.

#Gestão Mecânica e Térmica

Trocar de materiais trouxe desafios, especialmente porque o PLA não é tão forte quanto o alumínio. A carga precisa funcionar direitinho em condições específicas, mesmo em altitudes elevadas onde a pressão do ar é baixa. A equipe usou simulações pra avaliar como o novo design lidaria com essas condições, observando de perto como a estrutura suporta estresse e calor.

Os resultados das simulações mostraram que o novo design consegue lidar com temperaturas de operação e mantém a estabilidade durante o voo. A primeira frequência de ressonância da nova carga tá em um nível seguro com base em experiências de testes anteriores, o que significa que deve funcionar como esperado em condições reais.

#Sistema de Software e Controle

Uma grande atualização pro PROTOCALC foi a introdução de um Raspberry Pi 4. Esse dispositivo se comunica com vários sensores, gerenciando os dados deles de forma mais eficiente que a versão anterior. O software de controle executa várias tarefas, incluindo iniciar a câmera e gravar o tempo com precisão. Essa precisão é essencial pra garantir que todos os dados sejam coletados em sincronia.

A tecnologia permite que a equipe colete mais informações, já que introduziram mais sensores pra melhorar o processo de calibração. A nova configuração inclui dispositivos como GPS e sensores pra monitorar condições ambientais, o que pode ajudar a melhorar a precisão das medições.

#Coleta de Dados e Campanhas de Voo

O PROTOCALC passou por várias campanhas de voo pra testar sua eficácia. Os voos mais recentes ocorreram entre 2022 e 2024 e focaram em aprimorar métodos de coleta de dados. A equipe descobriu que escanear em azimute enquanto move o drone pra cima e pra baixo proporcionava a atmosfera mais consistente pra medição.

Nos voos anteriores, a câmera tava configurada pra tirar imagens estáticas, mas pros testes recentes, o foco mudou pra vídeo. As capturas em vídeo oferecem uma cobertura de dados mais ampla, permitindo uma melhor observação e medição. Algoritmos foram desenvolvidos pra identificar alvos específicos nos quadros do vídeo, facilitando a análise dos dados coletados.

O dispositivo teve menos deslocamento térmico no novo design, o que significa que as medições durante os voos eram mais confiáveis. Os sinais emitidos pelo PROTOCALC eram visíveis pros telescópios no chão, indicando que o dispositivo tava funcionando bem durante essas missões.

#Resultados e Próximos Passos

Até agora, o projeto PROTOCALC mostrou resultados promissores nos testes realizados. Além de melhorar a carga, o sistema agora pode hospedar fontes adicionais que podem ajudar a calibrar outras faixas de frequência necessárias pelos telescópios de CMB.

Enquanto a equipe olha pra frente, eles planejam campanhas futuras que vão expandir o uso de vários sensores e melhorar ainda mais a precisão de apontamento. Com melhorias contínuas, o PROTOCALC tá pronto pra desempenhar um papel significativo na evolução do estudo dos primeiros momentos do universo, levando a uma melhor compreensão de seus começos e forças fundamentais.