ALMA tendrá nuevo cerebro
7 Febrero, 2023 / Tiempo de lectura: 9 minutes
El telescopio milimétrico y submilimétrico más potente del mundo obtuvo el visto bueno para modernizar su correlacionador central y su sistema de transmisión digital. De esa forma, su capacidad de producción de datos aumentará en un factor de 200 a 400.
El directorio del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) aprobó un proyecto por varios millones de dólares para desarrollar un correlacionador y un sistema de transmisión digital de segunda generación. Con esta iniciativa, enmarcada en el proyecto de incremento de la sensibilidad de banda ancha de ALMA (Wideband Sensitivity Upgrade o WSU), se busca duplicar y, eventualmente, cuadruplicar el ancho de banda correlacionado del conjunto de antenas.
El correlacionador de segunda generación de ALMA –el “cerebro” del observatorio– es un tipo de supercomputador que combina las señales individuales de cada antena para generar espectaculares imágenes de objetos astronómicos, y constituye una pieza clave del proyecto de modernización ALMA2030. El nuevo correlacionador incrementará la capacidad del computador actual, de por sí altamente sofisticado, para procesar y combinar datos con el fin de generar imágenes astronómicas más detalladas.
“Mientras los correlacionadores actuales de ALMA ya están entre los superprocesadores de señales más rápidos del mundo, el correlacionador de segunda generación podrá producir 200 y, eventualmente, 400 veces más datos por segundo con un mayor nivel de sensibilidad, lo que equivale a agregar más de 1.000 horas de observación por año”, explica Crystal Brogan, Program Scientist de ALMA en Norteamérica y ALMA Development Program Coordinator en el Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO). “La expansión inicial del ancho de banda del sistema en un factor dos y, eventualmente cuatro, incrementará la producción científica de ALMA en todos los ámbitos de observación, desde nuestro Sistema Solar hasta las galaxias más distantes. Asimismo, el correlacionador de segunda generación permitirá obtener una alta resolución espectral en un amplio ancho de banda por primera vez, lo que se traducirá en una vista sin precedentes de las características cinemáticas y la química de las estrellas y los procesos de formación planetaria.
El proyecto, avaluado en 36 millones de dólares, tardará cerca de seis años en llevarse a cabo y requerirá combinar la experiencia en hardware y firmware de los científicos e ingenieros del Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y la experiencia en software del Departamento de Gestión de Datos y Software de NRAO. Asimismo, un equipo de especialistas del Observatorio Haystack del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT Haystack) colaborará en la implementación y las pruebas que se realizarán con el nuevo correlacionador en el conjunto en fase. El proyecto será dirigido por el departamento norteamericano de ALMA, a cargo de NRAO.
“El nuevo correlacionador es la base del proyecto de modernización de la sensibilidad de banda ancha. Ahora que se aprobó, se pasó de la planificación a la construcción. Este proyecto se llevará a cabo en el marco de la colaboración internacional de ALMA, y para fines de esta década veremos los resultados plasmados en increíbles descubrimientos”, celebra Phil Jewell, director de ALMA-Norteamérica.
El nuevo sistema de transmisión digital –desarrollado en conjunto por el Laboratorio Central de Desarrollo de NRAO (CDL) y el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), que también participa como socio en ALMA– funcionará como una autopista de información ampliada que multiplicará por 8 la cantidad de datos transmitidos por cada uno de los nuevos receptores al nuevo correlacionador.
“El sistema de transmisión digital es un fascinante trabajo de colaboración con nuestros colegas de NAOJ que proporcionará una vía de transmisión de mayor capacidad entre los nuevos receptores y el nuevo procesador de señal centralizado Talon de ALMA. Para este proyecto se aprovechó nuestra experiencia en fotónica y procesamiento de señal digital y se usó hardware de avanzada, lo que nos permitió lograr una serie de mejoras”, señala Bert Hawkins, director del Laboratorio Central de Desarrollo.
Álvaro González, ALMA Program Manager para Asia del Este en NAOJ, agrega: “El nuevo sistema de transmisión digital de ALMA2030 usará los estándares más avanzados de transmisión de datos de alta velocidad y la máxima cantidad posible de tecnología disponible en el comercio. En esta colaboración entre NAOJ y NRAO, combinaremos los mejores aspectos de la tecnología y de los conocimientos prácticos de ambas partes. El sistema de transmisión digital se diseñará para alcanzar el objetivo de multiplicar por 4 el ancho de banda de ALMA de forma instantánea y para el futuro aumento de la distancia entre las antenas hasta unos 75 km con el fin de mejorar la resolución angular”.
La primera etapa de mejora del sistema de transmisión digital que se aprobó, por unos 800.000 dólares, apunta a la fabricación de un prototipo del nuevo sistema de extremo a extremo de aquí a 2026, seguida de una propuesta de segunda etapa de producción.
El papel fundamental que desempeñan NRAO y ALMA-Norteamérica en el incremento de capacidad de ALMA2030 va más allá del correlacionador y el sistema de transmisión digital, pues incluye la conversión del Centro de Apoyo a las Operaciones para alojar y operar la infraestructura adicional necesaria para el nuevo correlacionador y los sistemas de apoyo, así como los nuevos receptores. El Laboratorio Central de Desarrollo de NRAO empezó a trabajar en los nuevos receptores de 1,3 mm de ALMA (Banda 6) tras recibir el visto bueno y el financiamiento para la primera etapa a fines de 2021. El prototipo de Banda 6v2 debería quedar listo en 2025 y allanar el camino para la fabricación de una serie de receptores de Banda 6 para ALMA que mejorarán la cantidad y la calidad de las observaciones realizadas en longitudes de onda de entre 1,4 y 1,1 mm.
Una vez que estén listos, se procederá, en el marco del proyecto ALMA2030, con la actualización de la mayoría de los receptores para incrementar el ancho de banda y la sensibilidad del conjunto, la sustitución de la cadena de señal digital de ALMA (el digitalizador, el sistema de transmisión digital y el correlacionador), la instalación de nuevos cables de fibra óptica entre el Sitio de Operaciones de ALMA y el Centro de Apoyo a las Operaciones, y el desarrollo de los softwares correspondientes de control y adquisición y procesamiento de datos.
“ALMA es un observatorio muy poderoso que ha permitido revelar los secretos de los discos protoplanetarios y las nubes invisibles de polvo y gas que alimentan la formación de estrellas, planetas y galaxias. Estas actualizaciones nos ayudarán a ver más lejos que nunca y procesar la información más rápido y con mayor claridad”, explica Tony Beasley, director de NRAO. “Con cada actualización, estamos literalmente construyendo el futuro de la radioastronomía”.
Sean Dougherty, director de ALMA, agrega: “Es un momento muy emocionante para ALMA. La aprobación de estos dos importantes componentes del proyecto de incremento de sensibilidad de banda ancha –un nuevo sistema de transmisión de datos y un correlacionador pionero– aumentará considerablemente las capacidades de ALMA en todos los campos de la ciencia”.
“Este gran proyecto garantiza que ALMA siga operando y haciendo observaciones increíbles”, celebra Joe Pesce, Program Officer de la NSF para ALMA. “La mejora de las capacidades que traerá el nuevo correlacionador generará nuevos hallazgos sobre nuestro Universo y hará avanzar la ciencia”.
“Este proyecto mejorará considerablemente la sensibilidad, versatilidad y eficiencia del telescopio”, afirma Brent Carlson, Research Officer del Centro Herzberg de Astronomía y Astrofísica e investigador principal del proyecto de correlacionador en el NRC. “El correlacionador de segunda generación de ALMA permitirá recabar mucha más información espectral de fuentes de radio con el fin de generar imágenes de forma instantánea. De esta forma, los científicos tendrán acceso a una cantidad colosal de datos nuevos. Esta capacidad para realizar escaneos espectrales de manera eficiente a resoluciones tan elevadas no tiene precedentes, y mantendrá a ALMA en la cabecera de los hallazgos científicos”.
Información adicional
El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembro, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).
La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembro; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.
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