Un radiotelescopio para el verano

Traigo malas y buenas noticias.

Las malas son que por problemas logísticos el radiotelescopio no pudo estar listo para el pasado fin de semana. Resultó que las piezas no estaban listas: hizo falta taladrar 13 agujeros por cada una de las 12 costillas del mismo, otros tantos agujeros en el borde exterior, recortar la malla, etcétera. Podría haber estado todo listo para el domingo, pero simplemente no pudo ser.

Las buenas son que la prueba parece que se podrá llevar a cabo a finales de agosto. Esto es ideal porque he encargado un par de filtros para la línea del hidrógeno a Adam Alicajic (9A4QV) . No es la primera vez que le pido componentes a este hombre. El filtro tiene la siguiente respuesta en frecuencia:

Que como se puede comprobar, tiene una fuerte atenuación en las bandas de FM, telefonía móvil y wifi (lo cual es de agradecer). Para reducir la influencia de las interferencias externas todavía más intentaré blindar el circuito dentro de una jaula de Faraday con papel de cobre que todavía me queda por aquí.

Por lo demás, sólo queda esperar.

Actualización rápida: después de un arduo camino, frustraciones y sustos, el experimento ha sido todo un éxito. En breves detallaré la épica historia detrás de estos resultados. De momento, un par de imágenes para capturar vuestra atención:

Y finalmente, la observación ha podido llevarse a cabo.

La semana del 21 al 27 ha sido de locos por varias razones. Los filtros que encargué no me llegaron hasta el lunes, por lo que no pude desplazarme al pueblo hasta el día siguiente. Una vez allí, tuve que terminar de construir el soporte de la Cantenna con los pocos materiales de los que disponía. Esto no fue fácil, puesto que hubo que taladrar una abrazadera de acero bastante poco manejable para atornillar los amarres (quemándome numerosas veces con las virutas). Además, debido a que la abrazadera cerrada era considerablemente más ancha que la Cantenna, tuve que comprar cuatro topes de goma en un bazar chino que demostraron no entenderse muy bien con el metal. Por suerte, el cinoacrilato trajo la diplomacia entre ambos materiales de vuelta.

La siguiente problemática vino por culpa de la disponibilidad del terreno. Por un desafortunado contratiempo de última hora (literalmente) no había nadie que me pudiese abrir la puerta de la finca, o sea que tuvimos que buscar una alternativa. Tuvimos que tirar de la ayuda de un amigo de la familia para montar todo el armatoste en su finca en el municipio de Vilamartín de Valdeorras (Ourense). Una vez allí, descubrí que este cacharro es imposible de construir entre menos de tres personas.

Por nuevos problemas de montaje (los agujeros de los flejes no coincidían con los radios de la antena, por lo que tuvimos que volver a taladrar, perdiendo una broca por el camino) y de tiempo (tanto cronológico como meteorológico) el reflector parabólico de la antena no estuvo terminado hasta el lunes por la tarde. Justo a tiempo para la observación a medianoche, hora local (que es justo cuando la Vía Láctea empieza a transitar por el cénit):



Llegados a este punto, mentiría si dijese que me sentía aliviado por tener todo “lo gordo” terminado. una serie de nuevas preocupaciones rondaban mi cabeza: ¿y si hemos forzado demasiado la estructura de la antena, deformando su forma parabólica? ¿Perdería demasiada ganancia por culpa de los errores de fase? ¿Y qué pasa si no he conseguido colocar la Cantenna exactamente en el foco de la parabólica? ¿Enterraría el ruido térmico del suelo la señal del hidrógeno por culpa del spillover?

Llegaron las 23:30 y nuevas complicaciones de última hora surgieron para darle más suspense (¿o frustración?) al asunto: me había olvidado el cable USB en casa, por lo que tuvimos que bajar, recogerlo y subir otra vez. Una vez allí, conecté Cantenna, filtros, amplificadores y receptor según la siguiente configuración:



Utilizando una tasa de muestreo generosa (4 MHz), sintonicé los 1420.1 MHz. Esto es, a 300 KHz de distancia de la línea del hidrógeno (alrededor de 1420.4 MHz). La razón detrás de este desplazamiento tiene que ver con la componente de continua (DC Offset en inglés): por la naturaleza del propio ADC, la interacción del mezclador con el oscilador local (usado para sintonizar la frecuencia de interés) y el filtro a la salida del mismo, la señal que se acaba muestreando tiene una media que no-nula. El resultado es que en el centro de mi espectro aparece un pico que no se corresponde con ninguna señal real, y que se superpone a la señal sintonizada. Aunque esto se puede corregir en la propia radio decidí no darle importancia por el momento y simplemente alejarme de esa frecuencia.

Los resultados no se hicieron esperar, y fueron ciertamente decepcionantes: una potentísima interferencia saturó alguno de los amplificadores (¿el XB-300? ¿El VLNA de G4DDK?), causando una orgía de armónicos que enmascaraba cualquier cosa parecida a una señal del hidrógeno. Aunque al reorientar la antena la potencia de esos armónicos cambiaba, dicho cambio no parecía estar relacionado con la posición de la Vía Láctea en el cielo. La cosa pintaba realmente mal.

Después de varias pruebas, cambiando el cable USB por si estaba mal blindado, jugando con las ganancias de los amplificadores del BladeRF (configuración final: ambos amplificadores a 25 dB) y suprimiendo el XB-300 del diagrama de bloques, llegamos a un espectro que empezaba a arrojar cierta esperanza:



Aunque estábamos viendo un espectro igualmente infestado de armónicos, se empezaron a distinguir dos señales. El pico alrededor de los 1420.1 MHz se debe a la componente de continua con la que ya contaba, pero ese bulto ancho alrededor de los 1420.4 parecía ser un buen candidato. Se hicieron dos pruebas más para descartar la interferencia local:

1. Se cambió la frecuencia de sintonía varias veces. Aunque el pico de continua se quedaba estático (como no podía ser de otro modo), este bulto se movía con la frecuencia. Buena señal.
2. Se reorientó la antena parabólica, apuntando a otras zonas del cielo. Cuando esta se alejaba del cénit, tanto el suelo del ruido como el propio bulto desaparecían. Muy buena señal.

Y aquí vino el primer subidón de la noche: todo estaba funcionando correctamente. Sin embargo, esos armónicos horribles seguían siendo un problema, especialmente porque no sabía de dónde venían. Después de mucho toquetear, paseándome por las inmediaciones de la antena y moviendo cosas de sitio, pude aislar la fuente del problema aquí:



Esas fuentes de alimentación, colocadas no muy lejos de la antena, resultaron estar produciendo un ruido de alta frecuencia que acabó acoplándose a algunas de las etapas del receptor. Como no disponíamos de ninguna Jaula de Faraday, tuve que sentarme encima de ellas para apantallar de algún modo todo el escándalo que estaban generando. Fue entonces cuando puse a funcionar radiotel ( github.com/BatchDrake/radiotel ) (un pequeño programa que escribí para integrar varios espectros y guardarlos en formato Matlab para posterior análisis). Aguanté unos 20 minutos guardando datos con radiotel antes de sacarle unas últimas fotos a todo el conjunto y dar la experiencia por concluida:





Al día siguiente, con un poco más de calma, subí los datos guardados a un servidor ( los podéis descargar aquí ) y me dispuse a analizarlos con un poco más de calma. Debo decir que los resultados no son todo lo “limpios” que cabría desear, al fin y al cabo esto era una mera prueba de concepto. Se puede notar que unos espectros tienen más ruido que otros (por haber probado formas distintas de apantallar el ruido de las fuentes de alimentación), y que la amplitud fluctúa (por haber andado jugando con la orientación de la Cantenna para buscar el foco). A pesar de la pésima calidad de esta observación, podemos ir haciendo un poco de física:

A modo de recordatorio, yo no esperaba encontrar un pico en exactamente los 1420405751.786 Hz de la frecuencia del hidrógeno, sino los bultos que acabamos recibiendo. Estos bultos se deben a que el hidrógeno de la Vía Láctea dista mucho de ser un bloque macizo que se desplaza rígidamente alrededor de su centro de masas. En realidad, son enormes nubes de gas orbitando alrededor del centro galáctico, cuyas velocidades tangenciales dependen de su proximidad al mismo y a la distribución de materia (especialmente materia oscura) a su alrededor. Esta diferencia de velocidades provoca que las fuentes de emisión tengan una velocidad relativa a la Tierra distinta de cero, haciendo que la señal del hidrógeno varíe en frecuencia como consecuencia del efecto Doppler-Fizeau. Las variación de amplitud en este espectro de frecuencias está relacionada, por lo tanto, con la variación de las densidades de hidrógeno en cada punto de la Vía Láctea.

Teniendo en cuenta que este espectro de frecuencias se debe a los desplazamientos Doppler alrededor de una frecuencia fija, yo puedo despejar la velocidad relativa de estas nubes de hidrógeno a partir de su frecuencia. Si asumimos que las velocidades negativas se acercan y las positivas se alejan, la relación entre frecuencia y velocidad viene dada por las fórmulas:

Aplicando esta transformación (y tomando el espectro menos ruidoso que pude grabar) y dibujando el espectro en ejes logarítmicos, llegamos al siguiente gráfico:



El cual nos indica dos cosas:

1. La mayor parte de la potencia recibida se encuentra en las frecuencias relacionadas con velocidades negativas. Esto quiere decir que la antena estaba observando una parte de la Vía Láctea que se acercaba hacia nosotros.
2. Las velocidades relativas están por debajo de los 250 km/s. Esto es consistente con la magnitud de la dispersión de velocidades de la Vía Láctea
3. Hay dos picos de potencia, uno alrededor de los 8 km/s, y otro alrededor de los 120 km/s. Mientras que a lo largo de las observaciones este primer bulto no parecía moverse de sitio, el segundo se iba acercando más y más al primero. Esto podría indicar que estábamos observando dos brazos de la Vía Láctea: un primer brazo cercano y que por lo tanto se acercaba más lentamente hacia nosotros (y de ahí su mayor amplitud), y un brazo (o brazos) lejano(s), más próximos al centro galáctico y por tanto con una diferencia de velocidades mayor. La mayor variación de la frecuencia de este último bulto a lo largo del tiempo sería consistente con esta explicación, puesto que para un mismo ángulo de rotación terrestre, la diferencia de distancia observada es mayor para los objetos que están más lejos de nosotros (imagínate contemplando un paisaje: con el mismo giro de cabeza que te permite observar la distancia entre tus dos brazos puedes observar las decenas de kilómetros que separan las montañas del fondo).

El mensaje se me ha hecho muy largo, pero la conclusión es clara: el cacharro funciona, pero hay que optimizarlo. En particular:

• Hay que aislar la radio de las interferencias del exterior. Para eso hay que hacerle una jaula de Faraday tanto al bladeRF como a las propias fuentes de alimentación. Afortunadamente, esto no es complicado.
• El soporte de la Cantenna no es todo lo sólido que cabría esperar. He de buscar un amarre de 2 cm de ancho en forma de U más solido. Probablemente se pueda hacer de madera.
• Hay que esforzarse un poco más en buscar el foco de la antena.
• Hay que corregir la componente de continua en el bladeRF.
• Se debe hacer una grabación de una parte “vacía” del cielo, para estudiar la respuesta en frecuencia de todo el conjunto y posteriormente ecualizar las observaciones de interés. Esto nos permitirá corregir posibles deformaciones del espectro.
• La próxima observación debe ser de por lo menos una hora, midiendo exactamente el punto del cielo que está siendo observado.

Mi plan es repetir el experimento entre octubre y noviembre, espero tener todo esto arreglado para entonces. ¡Nos vamos leyendo!