Visualizza wikitesto di Esperimento sull'intensità dell'idrogeno e sull'analisi in tempo reale

{{O|fisica|luglio 2024}}
L'esperimento '''HIRAX''' ( '''Hydrogen Intensity and Real-time Analysis''' ) è un sistema [[Interferometria|interferometrico]] a matrice di 1.024 [[Radiotelescopio|radiotelescopi]] da 6 [[Metro|metri]] (20 [[Piede (unità di misura)|piedi]] ) di diametro, operanti a 400-800 [[Hertz|MHz]], che sarà costruito nel sito [[Square Kilometre Array|Square Kilometer Array]], regione del [[Karoo]], [[Sudafrica|Sud Africa]]. L’array è stato progettato per misurare l'intensità di emissione sulla riga di 21 cm, (corrispondente all'[[Idrogeno|idrogeno neutro]]), spostata verso il rosso su grandi scale angolari, al fine di mappare le [[Oscillazioni acustiche dei barioni|oscillazioni acustiche barioniche]] e vincolare i modelli di [[energia oscura]] e [[materia oscura]].<ref name="newburgh15">
{{Cita pubblicazione |autore=L. Newburgh |anno=2016 |volume=9906 |doi=10.1117/12.2234286 |bibcode=2016SPIE.9906E..5XN |arxiv=1607.02059|serie=Ground-based and Airborne Telescopes VI}}</ref>

La collaborazione HIRAX è composta da oltre una dozzina di istituzioni, principalmente dal Sud Africa, dagli Stati Uniti e dal Canada. È finanziato dalla National Research Foundation of South Africa e dai partners.

L'array HIRAX prende il nome dall'[[Procaviidae|hyrax]], un mammifero locale.

== Obiettivi scientifici ==
La natura [[Energia oscura|dell’energia oscura]] e [[Materia oscura|della materia oscura]] sono tra i maggiori misteri irrisolti della cosmologia moderna.  È noto fin dalla fine degli anni '20 del [[XX secolo|Novecento]], con la scoperta della [[legge di Hubble]], che l'universo è in espansione,<ref name="Lemaitre1">
{{Cita pubblicazione|volume=47|bibcode=1927ASSB...47...49L|autore6=Georges Lemaître}}</ref><ref name="Lemaitre2">
{{Cita pubblicazione|volume=91|doi=10.1093/mnras/91.5.483|bibcode=1931MNRAS..91..483L}}</ref><ref name="hubble">
{{Cita pubblicazione|volume=15|doi=10.1073/pnas.15.3.168|bibcode=1929PNAS...15..168H|PMID=16577160}}</ref> ma per gran parte del [[XX secolo|XX° secolo]] si è ipotizzato che si trattasse di un'espansione in fase di decelerazione, che facesse seguito ad un [[Big Bang]] impulsivo. Tuttavia, alla fine degli anni ’90 si scoprì che l’[[Espansione metrica dello spazio|espansione dell’universo]] sta in realtà accelerando.<ref name="riess">{{Cita pubblicazione|autore=Riess, Adam G. |anno=1998 |volume=116 |doi=10.1086/300499 |bibcode=1998AJ....116.1009R|autore6=Adam Riess|arxiv=astro-ph/9805201}}</ref><ref name="perlmutter">{{Cita pubblicazione|autore=Perlmutter, S. |anno=1999 |volume=517 |doi=10.1086/307221 |bibcode=1999ApJ...517..565P|autore6=Saul Perlmutter|arxiv=astro-ph/9812133}}</ref> L'energia oscura è la forma di energia ipotizzata, che causerebbe questa accelerazione; tuttavia si sa molto poco al riguardo, se non, che attualmente dovrebbe comprendere circa il 70% dell'energia dell'universo. Anche la materia oscura gioca un ruolo significativo nella crescita delle strutture cosmologiche. Si ritiene che essa sia una forma di materia che interagisce con la [[Interazione gravitazionale|forza gravitazionale]], ma non con quella [[Interazione elettromagnetica|elettromagnetica]], e si suppone che costituisca circa il 25% dell'energia dell'Universo. Il restante 5% dell'energia dell'Universo è la cosiddetta [[Barione|materia barionica]], quella che possiamo "vedere"; le [[Stella|stelle]], [[Mezzo interstellare|il gas]] e la polvere, che compongono [[Galassia|le galassie]] e [[Ammasso di galassie|gli ammassi di galassie]].

HIRAX è progettato per misurare gli effetti dell'energia oscura e della materia oscura sulle dinamiche dell'universo, lungo un periodo di tempo di ca. 4 miliardi di anni, allo scopo di conoscere qualcosa di più sulla natura di questi due "enti fisici". Si pensa di raggiungere lo scopo osservando l’[[Riga a 21 cm dell'idrogeno neutro|emissione lineare di 21 cm]] prodotta dall’idrogeno neutro, diffuso, caldo, proveniente da [[Ammasso di galassie|ammassi di galassie]] distanti, e dal mezzo intergalattico.<ref name="newburgh15"/> Questo idrogeno neutro, in certo senso, mantiene memoria delle [[Universo osservabile|strutture su larga scala]] nell’universo, e quindi può essere utilizzato per mappare la struttura su larga scala [[Oscillazioni acustiche dei barioni|dell’oscillazione acustica barionica]] (BAO) dell’Universo. I BAO hanno una dimensione [[Distanza comovente|comovente]] fissa, e agiscono quindi come un calibro standard, che ci aiuta a stabilire punti fissi nell'espansione dell'universo nel tempo; questo consentirà, ci si augura, di poter determinare la variazione di densità dell'energia oscura e della materia oscura. Se, ad esempio, l’energia oscura non fosse una [[costante cosmologica]], come prevede la teoria cosmologica standard [[Modello Lambda-CDM|ΛCDM]], tale teoria andrebbe profondamente rivista.

A causa dell'espansione dell'universo, la banda operativa 400-800 MHz dello strumento HIRAX corrisponde all'emissione di 21 cm [[Spostamento verso il rosso|spostata verso il rosso]] da <math>0.8 < z < 2.5</math> (7-11 Bya (billions yeras ago), ovvero quando l'universo aveva tra 2,5 e 6,5 miliardi di anni).<ref name="newburgh15"/><ref name="phys-org" /> Questo intervallo racchiude il periodo in cui il modello cosmologico [[Modello Lambda-CDM|ΛCDM]] standard prevede che l’energia oscura cominci a influenzare la dinamica dell’universo, provocandone la transizione da un’espansione decelerata a un’espansione accelerata.

L'array HIRAX sorveglierà la maggior parte del cielo meridionale per mappare [[Oscillazione acustica barionica|BAO]], e sia il suo ampio campo visivo, che la vasta area di rilevamento, lo renderanno uno strumento molto potente per rilevare eventi radio transitori. In particolare, HIRAX sarà estremamente efficiente nel rilevare [[Lampo radio veloce|i lampi radio veloci]] (FRB) e [[Pulsar|le pulsar]]. Gli FRB sono lampi radio brevi (~1 [[Millisecondo|ms]] ) e luminosi (~1 [[Jansky|Jy]] ), le cui origini sono completamente sconosciute. Al 2021 ne erano stati registrati all'incirca 600, ma l'array HIRAX prevede di rilevare decine di FRB al giorno.<ref name="newburgh15"/> Le pulsar sono [[Stella di neutroni|stelle di neutroni]] in rapida rotazione, la quale fa sì che tali corpi celesti sembrino emettere impulsi a radiofrequenza con estrema regolarità. Misurazioni ancora più precise di tali frequenze potrebbero essere utilizzate per rilevare [[Onda gravitazionale|onde gravitazionali]], poiché queste ultime distorcerebbero lo spazio attraverso cui viaggiano gli impulsi, e quindi i loro tempi di arrivo sulla Terra.

Il [[Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment]] (CHIME) è un esperimento gemello di HIRAX. Ha obiettivi scientifici simili, ma osserva l'emisfero [[Emisfero boreale|settentrionale]] e ha [[Errore di misurazione|una sistematica strumentale]] diversa. Il Canadian Hydrogen Observatory and Radio-transient Detector (CHORD) è un radiotelescopio di prossima generazione, proposto per essere costruito al più presto. CHORD è un progetto pan-canadese, progettato per collaborare e sviluppare il successo di CHIME. Fungerà da esperimento gemello di HIRAX.  CHORD incorporerà le migliori innovazioni di CHIME insieme alla nuova tecnologia canadese. Piccoli cilindri derivati dal progetto CHIME e funzionanti tra 400 e 800 MHz verranno distribuiti in siti remoti di stabilizzatori e forniranno una localizzazione a livello di millesimo di secondo d'arco, dei "transienti" radio. I cilindri saranno integrati da array focalizzati di parabole composte da 6 metri, in ciascun sito, dotati di nuovi ricevitori a banda ultralarga (UWB), da 300 a 1500 MHz.

L'array HIRAX sarà composto da 1024 [[Antenna parabolica|riflettori parabolici da]] 6 metri di diametro con un campo visivo di 5–10°. Le parabole ''non'' verranno guidate, ma saranno fisse, e spazzeranno il cielo mentre la Terra ruota. Ogni qualche mese verranno "alzati" manualmente in [[Declinazione (astronomia)|declinazione]], per osservare una nuova striscia di cielo.

Le parabole sono estremamente profonde, con un [[Rapporto focale|numero '''f''']] di 0,23, per proteggere i rivelatori da interferenze del terreno e delle antenne vicine. Le antenne sono state ottimizzate per avere una bassa perdita e un'elevata [[Riflettanza|riflettività]] tra 400 e 800 MHz, cioè la banda di osservazione del radiotelescopio. Ogni parabola è accoppiata ad una singola [[Antenna a dipolo|antenna dipolo]] a trifoglio a doppia [[Polarizzazione della radiazione elettromagnetica|polarizzazione]]. Il segnale viene amplificato da una coppia di [[Amplificatore a basso rumore|amplificatori a basso rumore]] (LNA) e trasmesso ad una struttura di calcolo centralizzata (il "back end") tramite collegamenti in fibra ottica.<ref name="newburgh15"/>

Nella parte posteriore il segnale viene ulteriormente amplificato da catene di amplificatori [[Elettronica analogica|analogici]], quindi digitalizzato, e correlato con i segnali provenienti da tutte le altre parabole per produrre un'unica immagine coerente dall'intero array. Le operazioni di digitalizzazione e canalizzazione della frequenza verranno eseguite da schede FPGA ( [[Field Programmable Gate Array|field programmable gate array]] ) personalizzate, e la correlazione verrà eseguita su una rete di computer ad alte prestazioni basato su di una [[GPU]] progettata ad-hoc<ref name="newburgh15"/> Questa operazione di correlazione è estremamente costosa dal punto di vista computazionale, ed è la ragione principale per cui array interferometrici così grandi non sono mai stati precedentemente messi in campo. Nel funzionamento full array (cioè con tutte le antenne funzionanti), HIRAX dovrà elaborare 6,5 [[Bit|Tb]] di dati al secondo, quantità paragonabile alla larghezza di banda Internet totale, per il continente africano.<ref name="phys-org">{{Cita web|url=https://phys.org/news/2018-08-telescope-mysteries-radio-dark-energy.html}}</ref><ref name="africabandwidth">{{Cita web|url=http://www.africabandwidthmaps.com/|sito=www.africabandwidthmaps.com}}</ref> Questo problema è stato risolto grazie ai recenti progressi nel calcolo basato sulle GPU, e dalla spaziatura regolare tra gli elementi dell'array, che riduce la difficoltà computazionale da <math>O(n^2)</math> a <math>O(n \log n)</math>, dove ''n'' è il numero di elementi dell'array.<ref name="newburgh15" />
[[File:HIRAX_prototype_array_2017-03-17.jpg|miniatura| Il prototipo del sistema di telescopi HIRAX all'HartRAO nel 2017.]]

* Presso l'Osservatorio radioastronomico di Hartebeesthoek (HartRAO) il consorzio HIRAX ha già predisposto, nel 2017, un array prototipo di 8 elementi, che viene utilizzato come banco di prova per lo sviluppo di hardware e software. Esso è destinato al SARAO ( South African Radio Astronomy Observatory), nella regione del Karoo. L'ampliamento a 128 elementi dovrebbe iniziare nel 2024. L'array Pathfinder verrà quindi progressivamente espanso fino ai 1024 elementi previsti,  nel corso dei successivi tre anni.<ref name="newburgh15"/><ref name="nature">{{Cita pubblicazione|volume=560|doi=10.1038/d41586-018-05983-4|bibcode=2018Natur.560..414.|PMID=30135538}}</ref> L'array a 8 elementi HartRAO sarà incorporato nell'array completo come supporto a miglioramento della risoluzione, insieme a molti altri in tutta l'Africa meridionale. Questi stabilizzatori consentiranno ad HIRAX di localizzare gli FRB con precisione inferiore al secondo d’arco.<ref name="ukzn-launch">{{Cita web|url=https://acru.ukzn.ac.za/hirax-telescope-project-is-officially-launched/|sito=acru.ukzn.ac.za}}</ref>

L'Università di KwaZulu-Natal, il Dipartimento sudafricano di scienza e tecnologia e la Fondazione nazionale per la ricerca hanno annunciato il lancio ufficiale dell'esperimento HIRAX nell'agosto 2018.<ref name="nature"/><ref name="ukzn-launch"/><ref name="southafrican-launch">{{Cita web|url=https://www.thesouthafrican.com/hirax-radio-telescope-launched-in-south-africa-in-order-to-solve-dark-energy/}}</ref>

==Note==
<references/>

==Voci correlate==
* [[Oscillazioni acustiche dei barioni|Oscillazioni acustiche barioniche]]
* [[Lampo radio veloce]]

==Collegamenti esterni==
* [https://www.acru.ukzn.ac.za/~hirax/ Sito ufficiale dell'HIRAX]

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