BOOMERanG

El ‘BOOMERanG experimento (acrónimo de B alloon bservaciones O O F M illimetric Y xtragalactic R adiation un d G eophysics) es un experimento que mide la radiación cósmica de fondo de una porción del espacio, utilizando tres vuelo sub-orbital de una globo de gran altitud. Fue el primer experimento puede proporcionar una imagen de alta definición de la anisotropía de la temperatura de la radiación cósmica de fondo. A través de un telescopio hizo volar a una altitud de 42 km alrededor de él era posible reducir la ‘ absorción de microondas (producido por la radiación de fondo) en la parte de’ la atmósfera de la Tierra.

El primer vuelo de prueba tuvo lugar en los cielos de ‘América del Norte en 1997. El próximo de dos de los vuelos en globo son parte de 1998 y en 2003 por la base antártica permanente McMurdo. El balón atrás alrededor del polo sur mediante el vórtice polar, volviendo al punto de partida después de dos semanas. El telescopio se nombra para este efecto (efecto boomerang).

La elevada altitud del globo en preparación para el lanzamiento

Instrumentación

El experimento utilizó las bolómetros^[1] para la detección de la radiación de fondo; estos instrumentos se mantuvieron a una temperatura de 0,27 K (-272,88 ° C). De acuerdo con la ley de Debye los materiales, a esta temperatura, tienen una capacidad térmica muy baja; el horno de microondas procedente de la radiación de fondo que causa un aumento de temperatura fuerte, proporcional a la intensidad de ‘onda. Estos cambios de temperatura son detectados por los termómetros de alta resolución.

Un espejo de 1,2 m^[2] se centra entonces el microondas en un plano focal consta de 16 sensores. Este tipo de sensores, que funcionan a 145 G Hz , 245 G Hz y 345 G Hz se combinan en un área de 8 píxeles. De esta manera el telescopio fue capaz de analizar una pequeña porción de espacio para un tiempo y por lo tanto se ve obligado a girar para analizar toda la zona en el análisis.

Resultados

Anisotropía de la radiación de fondo detectada por BOOMERanG

Junto con otros experimentos como Saskatoon, QMAP, MAXIMA, el boomerang datos del experimento de 1997 y 1998 eran útiles para calcular la distancia del diámetro angular de la superficie de la última dispersión con una alta precisión. Estos datos, combinados con otros datos acerca de la constante de Hubble, dio como resultado final que la geometría del universo es plana.^{[3] [4]} Este hallazgo apoya la existencia de’ energía oscura. El vuelo de 2003 BOOMERanG de los datos dio como resultado una señal con una alta relación señal-ruido, útil para la cartografía de la temperatura de la anisotropía de la radiación de fondo y para la medición de la polarización de la radiación.

El proyecto BOOMERANG registra el universo tempranero

Flotando en la estratósfera sobre la Antártica a finales de 1998, el telescopio BOOMERANG, a bordo de un globo, observó el universo a longitudes de onda milimétricas. Las estructuras granulosas que el mismo detectó se aprecian en esta imagen, que es la más detallada del universo en su infancia (quizás tan solo unos 300,000 años) que se ha obtenido hasta hoy. La imagen en color falso muestra las tenues fluctuaciones de la temperatura del plasma caliente que llenaba el universo antes de que la expansión enfriara la materia para producir las conocidas estrellas y galaxias. El tamaño de las fluctuaciones mostradas en esta imagen por el BOOMERANG ha convencido a muchos cosmólogos de que el universo contiene justo la cantidad de materia y energía para ser plano, que es una de las poderosas predicciones de la popular teoría inflacionaria, la cual describe los momentos primordiales del Big Bang. Un universo plano se expandirá para siempre y dos rayos de luz que en su inicio fueron paralelos nunca se apartarán o se intersecarán. Pero no todo está resuelto, pues los resultados del proyecto BOOMERANG no muestran claramente detalles que permitan confirmar las cantidades sospechadas de materia oscura ni la constante cosmológica.

La radiación cósmica de fondo superpuesta sobre el monte Erebus a la misma  escala.

El telescopio Boomerang revela la estructura del Universo primitivo

El proyecto BOOMERANG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics) ha obtenido un mapa detallado de la radiación cósmica de fondo (cosmic microwave background CMB) mediante un radiotelescopio de dos toneladas de peso elevado en globo sobre la base McMurdo en la Antártida.

El mapa de microondas cubre unos 1.800 grados de superficie del cielo. La Luna se ha representado a la misma escala abajo a la derecha. Muestra el Universo hace unos 14.000 millones de años, cuando se enfrió por debajo de los 2700º C y pasó de estar constituido por un plasma opaco a la luz a ser perfectamente transparente. La escala de color distingue variaciones de temperatura en el plasma primordial de tan sólo 0.0001º C. Aunque insignificantes, estas pequeñas variaciones son las que luego dieron lugar a los supercúmulos de galaxias.

Comparando el mapa obtenido (arriba) con distintos modelos cosmológicos simulados se comprueba que el que se ajusta mejor a las observaciones es el que propone que la geometría del Universo es plana (abajo, centro). Para entendernos: decir que el Universo es plano equivale a decir que la geometría elemental que aprendimos en la escuela es válida para distancias cosmológicas, es decir, que dos rayos de luz paralelos lo son indefinidamente. Las zonas calientes y frías observadas miden aproximadamente un grado de diámetro. 

Si el espacio estuviese curvado, las imágenes aparecerían distorsionadas:

• En un universo cerrado las líneas paralelas tienden a converger, y las estructuras observadas se verían ampliadas (abajo, izquierda)
• En un universo abierto las líneas paralelas tienden a diverger, y las estructuras observadas serían menores de 1 grado (abajo, derecha)

            Los datos obtenidos por Boomerang (en azul) se han superpuesto a los que ofrecen los estudios de explosiones supernova de tipo S1a (amarillo). En el gráfico se relacionan la densidad media de la materia (Omega_m, en horizontal), que tiende a frenar la expansión del Universo, y la energía oscura del vacío (Omega_, en el eje vertical), que tiende a acelerar la expansión. Si ambas observaciones son correctas, el Universo es cosmológicamente plano, empezó con una gran explosión (Big Bang) y no volverá a concentrarse.

Los 36 miembros del equipo investigador del proyecto BOOMERANG pertenecen a 16 universidades y organizaciones de Canada, Italia, el Reino Unido y los Estados Unidos, con el apoyo de:

• NSF, Department of Energy’s National Energy Research Scientific Computing Center y la NASA en Estados Unidos
• Italian Space Agency, Italian Antarctic Research Programme, Universidad de Roma La Sapienza en Italia, y
• Particle Physics and Astronomy Research Council en el Reino Unido.

BOOMERANG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics)

Institución responsable:  University of Rome, la Sapienza / California Institute of Technology
Investigador principal:  Prof. Paolo de Bernardis / Dr. Andrew Lange

Este instrumento es el fruto de un largo esfuerzo de cooperación Italo-Norteamericana. Ha sido diseñado para tener la resolución angular y sensitividad necesarias para medir el espectro angular de anisotropia en el fondo cósmico de microondas en escalas de subgrado, una región donde puede obtenerse una gran información cosmológica.

El telescopio esta compuesto por un espejo paraboloide desfasado de 1.3 m que alimenta a otro par de espejos elipsoidales a muy baja temperatura que a su vez retransmiten el foco primario en un conjunto de “feed horns”. A su vez, estos concentran la radiación entrante en detectores bolométricos refrigerados por helio hasta 0.3 grados Kelvin.

El sistema de apuntamiento consta de un par de ruedas de vuelo que contrarrestan el giro natural del globo estabilizando el telescopio. La frecuencia de rotación se ajusta por la información suministrada por los giróscopos, un magnetómetro y otros sensores. El telescopio es plenamente apuntable en azimuth, y puede inclinarse de 35 a 55 grados de elevación. Una cámara especial de seguimiento estelar permite, por ultimo, la reconstrucción precisa del apuntamiento luego del vuelo.

Detalles del globo y su operación

Sitio de lanzamiento: Williams Field, Estación McMurdo, Antartida   Hora lanzamiento: 4:48 utc
Lanzamiento y operación del globo a cargo de: National Scientific Balloon Facility (NSBF)
Globo: Globo de Larga Duracion Raven 29X – 1.000.000 m3 – SF3-29.47-.8/.8/.8-NA
Nº de serie del globo: W29.47-2X-59
Nº de vuelo: 516N
Campaña: Sin Datos
Peso carga útil: 3650 lbs
Peso Total: 4753 lbs
El globo fue lanzado desde Williams Field, por método dinámico con asistencia de un vehiculo lanzador el 6 de enero de 2003.

A pesar de que hubo un incremento repentino de la velocidad de los vientos justo antes de liberar el balón, ni este ni la carga científica sufrieron daños durante el despegue.

Luego de una fase inicial de ascenso, el globo alcanzó la altura de flotación de 130.000 pies comenzando un derrotero en sentido antihorario, alrededor del continente antártico. El recorrido efectuado puede apreciarse en detalle haciendo click en la imagen de la izquierda.

Si bien los primeros días el vuelo se desarrollo normalmente, el 11 de enero el globo comenzó a experimentar un descenso de su altitud de vuelo, por causas desconocidas (pudo deberse a que este quedara atrapado en un sistema de aire muy frío, o que se haya producido alguna fuga) de manera que todo el lastre remanente fue eyectado para ganar altitud nuevamente. No obstante, el descenso gradual se volvería a producir por lo cual se decidió terminar el vuelo el día 17 de Enero enviando a las inmediaciones del globo un avión LC-130, pero una intempestiva operación de búsqueda y rescate para tratar de salvar la vida de la tripulación de un helicóptero caído, paralizó toda la actividad de vuelo de la base, impidiéndolo. Asimismo, otras demoras relacionadas con el mal clima hicieron que se decidiera terminar el vuelo vía satélite para evitar que el globo se internara en zonas remotas de la meseta antártica.

El fin del vuelo se concretó pues, en la noche del 21 de enero y al día siguiente la góndola fue localizada. Seis días más tarde un equipo de rescate aterrizó junto a la góndola, extrayendo el contenedor presurizado que contenía los datos científicos obtenidos.

Este fue el segundo vuelo de larga duración que se realizó en la Antártida con BOOMERANG. Importantes datos científicos fueron obtenidos de él.

Difícil rescate en la Antártica

(Publicado en Revista Creces, Marzo 2004)

Se trata de un rescate en una remota montaña ubicada cerca del polo sur, donde los vientos soplan fuerte y las temperaturas son muy bajas, sólo comparables a las del planeta Marte. Sin embargo, ello fue posible para una peligrosa misión de rescate, que se llevó a cabo un año después.

Se trataba de un valioso telescopio, denominado “Boomerang”, que fue construido para volar sobre la Antártica, colgado de un globo gigante, cuyo objetivo era medir las microondas cósmicas que llenan el espacio. Ellas representan a los ecos del Bíg Bang, que aún se detectan en el espacio, y de las cuales los cosmólogos estiman que pueden lograr valiosas informaciones acerca de la estructura del espacio-tiempo. Pero desgraciadamente el vuelo no terminó bien.

En Enero del 2003 el telescopio se elevó adherido al gran globo “Boomerang”, pero no regresó. Fue perdiendo altura, y sacado de su curso, fue a caer sobre la nieve, en una montaña de 3.000 metros de altura.

Podía ser asequible por avión, pero era muy riesgoso. Incluso en el verano, la temperatura a esa altitud alcanza a los -50ºC. Con esa temperatura, si el motor del avión se detenía, no iba a poder partir de nuevo. Es así como unos pocos días después, pudo llegar al lugar, un equipo de rescate por tierra, recuperando la información gravada en las cintas, y pensaron que el telescopio iba a tener que quedar allí para siempre. Pero en Enero del 2004, un nuevo equipo volvió al lugar y pudo rescatar el telescopio por piezas y traerlo de nuevo a su hogar. Los expertos piensan que en los próximos meses estará otra vez volando, para volver a detectar las microondas cósmicas que tantos secretos pueden revelar.