Este artigo procura mostrar como foi obtido um mapa da emissão da Galáxia em 408 MHz. Os mapas da emissão da Galáxia nas frequências de rádio do espectro eletromagnético são de grande importância para o estudo da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCFM). Para confeccionar o mapa deste trabalho, foram utilizados os dados obtidos com o radiotelescópio do projeto Galactic Emission Mapping (GEM) na cidade de Bishop – Califórnia – EUA.Inicialmente é apresentada uma introdução sobre a descoberta da emissão em radiofrequência por fontes extraterrestres. Em seguida, a importância dos mapas no estudo da RCFM é apresentada. O experimento GEM em si, seu funcionamento e o processo de aquisição e tratamento de dados é abordado de maneira sucinta. Em especial, como a superação do problema na leitura de posição do azimute deste radiotelescópio foi resolvida é tratada. O artigo é finalizado com as conclusões e as referências bibliográficas

Souza, Rogério

Tello Bohorquez, Camilo

Villela Neto, Thyrso

Portuguese

Universidade Federal de Mato Grosso do Sul: UFMS / SEER - Sistema Eletrônico de Editoração de Revistas

Revista de Divulgação Cientíca emCiências Exatas e TecnológicasPORANDU Vol. 1, n. 1, 2015, pg.1-10Um Mapa da Galáxia em 408 MHzR. R. DE SOUZA1,∗ , C. TELLO2, T. VILLELA2,[1] Faculdade de Tecnologia de São Paulo, FATEC-ITAQUERA, São Paulo, SP, Brasil.[2] INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Divisão de Astronfísica,São José dos Campos, SP, Brasil.Submetido em 17/02/2015; Aceito em 29/08/2015; Publicado em 24/12/2015Resumo. Este artigo procura mostrar como foi obtido um mapa da emissão da Galáxiaem 408 MHz. Os mapas da emissão da Galáxia nas frequências de rádio do espectroeletromagnético são de grande importância para o estudo da radiação cósmica de fundoem micro-ondas (RCFM). Para confeccionar o mapa deste trabalho, foram utilizadosos dados obtidos com o radiotelescópio do projeto Galactic Emission Mapping (GEM),em Bishop - Califórnia - EUA. A introdução discorre sobre a descoberta da emissãoem radiofrequência por fontes extraterrestres e, em seguida, a importância dos mapasno estudo da RCFM. O experimento GEM em si, seu funcionamento e o processode aquisição e tratamento de dados são abordados de maneira sucinta, pois a ênfaseé dada ao modo de superação do problema na leitura de posição do azimute desseradiotelescópio.Palavras-chave. Mapa da Emissão da Galáxia, GEM, RCFM.Abstract. This article attempts to show how a map of the emission of the Galaxy at 408MHz was obtained. The maps of the Galactic emission in the electromagnetic spectrumradio frequencies have great importance for the study of cosmic microwave background(CMB) radiation. The data to construct the map was obtained with the radio telescopeof the project Galactic Emission Mapping (GEM) used in Bishop - California - USA.The presentation is about the discovery of extraterrestrial radio frequency emissionsources therefore the importance of maps in the study of CMB is displayed. It is brieydiscussed the GEM experiment itself, its operation and the acquisition and processingof data. In particular, the article deals with a manner to overcome the problem in thereading of the azimuth position of this radio telescope.1. IntroduçãoQualquer experimento que pretenda medir a intensidade e anisotropias da RCFMcapta a emissão da Galáxia como um sinal de fundo. Essa emissão não pode ser evitadapor técnicas observacionais. O que deve ser feito é subtrair este sinal da Galáxia apartir do seu conhecimento prévio.∗derodriguesrogerio@hotmail.com2 De Souza, Tello, VillelaChamamos de emissão da Galáxia às radiações: sincrotron, térmica da poeira inte-restelar e bremsstrahlung térmico. A emissão da Galáxia na faixa de 408 MHz, que é afrequência do mapa tratado neste artigo, tem como emissão dominante a radiação sin-crotron, como exemplica a Figura 1. O conhecimento da emissão da Galáxia contribuipara um melhor entendimento sobre a dinâmica e estrutura da Galáxia. Por outro lado,os mapas da anisotropia da RCFM requerem a extração de qualquer sinal da emissãoda Galáxia. Esta informação é dada com a utilização dos mapas da Galáxia.Figura 1: Espectro dos componentes da emissão Galáctica comparado com o espectroda Radiação Cósmica de Fundo (RCF). A largura das bandas mostra a variação doscomponentes da emissão Galáctica com a Latitude 15◦ ≤ |b| ≤ 70◦, de acordo comBennett et al [1]. FONTE: [2], página16.Figura 2: Registro obtido por Jansky em 24 de fevereiro de 1932. FONTE:[3], pág.7.A busca por um melhor entendimento e conhecimento das radiações e das estruturasda Galáxia, na faixa de rádio e micro-ondas do espectro eletromagnético, teve início comPORANDU 3a descoberta de emissão rádio vinda do Centro Galáctico, por Karl Jansky. A Figura 2exemplica o registro obtido por Jansky [4].Várias foram as tentativas de mapeamento parciais do céu, e bem como com acobertura total do céu [5]. A tentativa mais bem sucedida para a obtenção de um mapado céu inteiro foi feita por Haslam et al. [6], exemplicada na Figura 3. No entanto, essemapa contém erros na determinação do nível zero e apresenta instabilidades do sistemaradiométrico ocasionando incertezas de ±2, 3K no seu ponto zero e 3, 6% na escala detemperatura. Estes erros foram gerados devido à utilização de técnicas observacionaisdiferentes e bem como de instrumentos diferentes para alcançar a cobertura total docéu.Figura 3: Mapa de Haslam et al. em 408 MHz. FONTE: [6].1.1. Os mapas do céu inteiro e a RCFMA RCFM está intimamente relacionada com a Cosmologia. Pelo modelo cosmológicoconhecido como Big Bang, o universo teve um início bastante quente e denso. Nestascondições, prótons, nêutrons, elétrons, matéria escura, energia escura e a radiação tér-mica formavam um plasma e estavam connados nesta região em equilíbrio térmico. Serealmente as condições eram essas, o espectro desta radiação térmica seria de um corponegro quase perfeito.De acordo com este modelo, à medida que o universo foi expandindo e esfriando,essa radiação conseguiu escapar da região de connamento e podemos observá-la hojeem dia na faixa da radiação de micro-ondas do espectro eletromagnético. Essa radiaçãotransporta informações de uma época em que os prótons, nêutrons e elétrons começa-ram a se combinar para formar os elementos mais leves. Esta formação corresponde apequeníssimas variações na densidade de matéria, que em larga escala foi responsávelpela formação das estruturas que observamos hoje: planetas, estrelas, galáxias, aglome-rados e vazios. O registro dessas pequeníssimas variações está impresso no espectro decorpo negro da RCFM como pequeníssimas variações de temperatura (∆t ∼ 30µK). Acomprovação dessas pequeníssimas variações no espectro da RCFM foi feita a partir dosdados obtidos com o satélite Cosmic Background Explorer (COBE), lançado em 1989.4 De Souza, Tello, VillelaEsta comprovação conferiu o prêmio Nobel de Física do ano de 2006 aos idealizadoresdeste experimento: Mather [7] e Smoot [8]. A descoberta dessas variações no espectrosó foi possível pela extração do sinal da Galáxia. Uma vez que, ao analisar o sinalda RCFM, o sinal da Galáxia é recebido juntamente, sendo impossível evitá-lo com oauxílio de técnicas observacionais. Portanto, o sinal da Galáxia é extraído por meio dosmapas do céu inteiro. Nesta ocasião, foi utilizado o único mapa de céu inteiro que é omapa de Haslam et al. No entanto, este mapa contém erros que comprometem o conhe-cimento real da emissão da Galáxia. Portanto, mapas mais conáveis são necessáriospara dirimir quaisquer dúvidas a respeito dessa descoberta e para o conhecimento maisprofundo das estruturas e mecanismos de emissão da Galáxia. Com essas motivações,foi concebido o projeto GEM.2. O experimento GEMO projeto GEM é uma colaboração internacional entre os EUA, Brasil, Colômbia eItália. O objetivo do projeto GEM é obter mapas do céu inteiro em baixas frequências:408, 1465, 2300, 5000 e 10000 MHz. Para isto, utiliza um radiotelescópio portátil de5, 5 m de diâmetro, como mostra a Figura 4, que coleta os dados em várias regiõespredenidas do globo terrestre para obter uma cobertura completa do céu.Figura 4: O radiotelescópio GEM com cerca e painéis de extensão, na sede do INPE,em Cachoeira Paulista-SP-Brasil (Lat.−22, 68◦; Long.45, 00◦).FONTE:[5], pág. 37.O radiotelescópio opera inclinado em 30◦ com respeito ao zênite, e gira a umavelocidade constante de 1 RPM. O seu feixe projetado no céu, e conjuntamente com omovimento de rotação da Terra, distribui as varreduras do radiotelescópio, permitindouma cobertura completa do céu numa faixa de 60◦ em ascensão reta. A técnica devarredura é exemplicada na Figura 5.PORANDU 5Figura 5: Técnica de varredura do céu utilizada pelo radiotelescópio GEM, mostrandoa distribuição dos círculos em ascensão reta. FONTE: [9].Os dados coletados pelo radiotelescópio eram armazenados num computador. Acada intervalo de um tempo especíco, chamado tempo de integração, o sistema deaquisição de dados enviava para um computador informações sobre o funcionamento doradiotelescópio. As informações eram referentes: à fração do dia, ao número do frame,à elevação, ao sinal radiométrico, ao azimute, às temperaturas dos sensores, à voltagemdos pulsos de interferência em radiofrequência (IRF), à temperatura da fonte de ruídoe à voltagem da fonte de ruído. Um exemplo de arquivo de saída com estas informaçõesé dado na Tabela 1 abaixo.IGORWAVES Frame Elevation Signal Azimuth Temp_1 Temp_2 Temp_3 Temp_4 ????? V_sat T_ext_noise V_ext_noiseDayBEGIN6.600.891 385677 53807 41731 46809 42519 42538 42437 42494 36419 32740 54034 327686.600.903 385678 53808 41776 46507 42519 42538 42436 42495 35107 32745 54032 327666.600.903 385679 53807 41820 46204 42518 42539 42439 42493 37014 32791 54034 327676.600.903 385680 53809 41873 45901 42519 42537 42437 42493 35109 32745 54032 327676.600.914 385681 53807 41896 45600 42519 42538 42436 42494 36335 32805 54030 327686.600.914 385682 53809 41945 45294 42519 42538 42436 42494 35278 32742 54034 327676.600.914 385683 53807 41998 44995 42520 42532 42437 42492 37905 32803 54033 327676.600.914 385684 53809 42078 44508 42519 42537 42436 42493 35507 32749 54033 32768Tabela 1: Exemplo de um arquivo de saída. Os dados informados nesta tabela estãoem unidades digitais, com exceção das colunas do tempo e do frame. Posteriormente,estes dados são convertidos em unidades físicas.6 De Souza, Tello, Villela3. O problema no codicador de azimuteDevido a um problema na leitura do codicador de azimute, foram gerados valoresincorretos para esta quantidade. Estes valores incorretos podem ser visualizados com aelaboração de um gráco azimute versus frame. Neste gráco, os pontos corretos devemse distribuir ao longo de retas, cujos coecientes angulares fornecem a velocidade médiade rotação do radiotelescópio, como exemplicado na Figura 6.Figura 6: Trecho de um arquivo de dados mostrando o registro do azimute. Paraum radiotelescópio girando a uma velocidade constante, todos os pontos deveriam selocalizar ao longo das retas. FONTE: [5], página 71.Figura 7: Trecho de um arquivo ao qual foi aplicada a correção dos azimutes. Os pontosem vermelho são fornecidos pelo modelo. FONTE: [5], página 71.PORANDU 7Para solucionar este problema, o movimento da antena foi modelado utilizando umavelocidade de rotação média e os valores incorretos foram substituídos pelos valores domodelo. A velocidade de rotação média foi obtida a partir de todos os ajustes linearescom, pelo menos, 20 pontos consecutivos em seguimentos de reta como nos da Figura 6.A substituição de um dado valor do azimute pelo valor do modelo era feita a partir domomento que a diferença entre o valor da leitura e o valor previsto superava uma dadatolerância. A limitação deste modelo é que o ponto zero do arquivo deve ser estimadocorretamente. Na Figura 7 é mostrado como o modelo corrigiu as leituras dos azimutesincorretos.4. O mapa obtidoPara a obtenção deste mapa em 408 MHz com os dados coletados pelo radiotelescópioGEM, foi necessário efetuar cortes nos arquivos que continham contaminações: de IRF,do Sol e da Lua, da atmosfera e do solo. Muitos outros detalhes do funcionamento doscomponentes eletrônicos, e que podem interferir com ruídos na detecção, também foramestimados e considerados na obtenção do mapa.O mapa obtido em 408 MHz deste trabalho resultou de 53, 46 horas de observa-ções com o radiotelescópio GEM para varreduras com inclinações em torno do zênitede 20◦, 25◦, 30◦, 35◦ e 40◦. Desse total de observações, 36, 58% das medidas foramcontaminadas por interferência em radiofrequência (IRF), enquanto que o Sol e a Luacontaminaram 16, 25% das medidas. Excluídas as contaminações, o mapa acumulou29, 40 horas. As Figuras 8 e 9 mostram esse mapa, respectivamente, em coordenadasequatoriais e em coordenadas Galácticas. Na Figura 10, o mapa obtido é comparadocom o mapa de Haslam et al. Esta comparação foi feita degradando o mapa de Haslamet al. para uma largura do feixe de 10, 4◦ que é a resolução angular do nosso instru-mento. O mapa obtido neste trabalho mostra-se compatível com relação às estruturas.A região do centro galáctico mostra-se bastante saturada. A obtenção deste mapa éum resultado preliminar, e que servirá para aprimorar as técnicas de análise de dadose aperfeiçoamento do experimento para as próximas coletas de dados.5. ConclusõesO artigo procurou divulgar, em linhas gerais, uma importante e relativamente novaárea da Astronomia, que é a Radioastronomia. O contexto com a Cosmologia foi en-fatizado, mostrando a importância dos mapas da emissão Galáctica para o estudo daintensidade e das anisotropias da RCFM. Por outro lado, os mapas da emissão Galácticapodem contribuir para um melhor entendimento da dinâmica e estrutura da Galáxia.Os dados utilizados para a confecção dos mapas foram coletados com o radiotelescó-pio GEM, na cidade de Bishop, na Califórnia-EUA. Com a intenção de situar o leitor nocotidiano das observações astronômicas, uma breve introdução sobre o funcionamentodo aparato experimental foi dada.O mapa nal obtido acumulou 29, 40 horas das 53, 46 horas de observações e coletaefetiva dos dados. Estes números mostram a diculdade de se fazer observações nosolo, onde sinais de IRF e bem como as próprias emissões do solo podem comprometer8 De Souza, Tello, VillelaFigura 8: Mapa do projeto GEM em 408 MHz em coordenadas equatoriais.Figura 9: Mapa do projeto GEM em 408 MHz em coordenadas Galácticas.todo o trabalho. Em especial, foi enfatizada a superação de um problema na leiturado azimute do radiotelescópio, que do contrário inviabilizaria a utilização desses dadoscoletados em Bishop para a confecção deste mapa. O mapa obtido, comparado comPORANDU 9Figura 10: Mapa de Haslam et al. e do projeto GEM em 408 MHz.o de Haslam et al., mostra compatibilidade quanto às estruturas. Nenhuma outracomparação foi possível realizar por se tratar de um mapa preliminar. No entanto,o mapa obtido poderá ser utilizado para aprimorar as técnicas de análise de dados.Para aprofundar o conhecimento sobre o assunto, recomendo fortemente ao leitor asreferências bibliográcas.AgradecimentosAo árbitro da revista, pela leitura crítica e sugestões de mudanças que procurei reetire providenciar da melhor maneira, dentro das minhas limitações, para tornar o textointeligível.10 De Souza, Tello, VillelaReferências[1] C. L. BENNETT, et al., Preliminary Separation of Galactic and Cosmic MicrowaveEmission for the COBE Dierential Microwave Radiometer, The AstrophysicalJournal, vol. 396, pp. L7L12, 1992.[2] C. TELLO, Um Experimento para Medir o Brilho Total do Céu em Comprimentosde Onda Centimétricos. Tese de Doutorado em Ciência Espacial/Radioastronomiae Física Solar, INPE, São José dos Campos, Brasil, 1997.[3] J. D. KRAUS, Radio Astronomy, vol. 1. New York: McGraw-Hill, 1966.[4] K. G. JANSKY, Electrical Disturbances Apparently of Extraterrestrial Origin,Proceedings of the Institute of Radio Engineers, vol. 21, no. 10, pp. 13871398,1933.[5] R. R. SOUZA, Um Mapa da Emissão Galáctica em 408 MHz. Dissertação de Mes-trado, INPE, São José dos Campos, SP, 2000.[6] C. G. T. HASLAM, C. J. SALTER, H. STOFFEL, and W. E. Z. WILSON, A 408MHz All-Sky Continuum Survey. II-The Atlas of Contour Maps, Astronomy andAstrophysics Supplement Series, vol. 47, pp. 1143, 1982.[7] J. C. MATHER, Nobel Lecture: From the Big Bang to the Nobel Prize andBeyond, Reviews of Modern Physics, vol. 79, pp. 13311348, Nov 2007.[8] G. F. SMOOT, Nobel Lecture: Cosmic Microwave Background Radiation Ani-sotropies - Their Discovery and Utilization, Reviews of Modern Physics, vol. 79,pp. 13491379, Nov 2007.[9] C. TELLO, T. VILLELA, G. F. SMOOT, S. TORRES, and M. BERSANELLI,A New Radio Continuum Survey of the Sky at 1465 MHz between Declinations−52◦ and +68◦, in New Cosmological Data and the Values of the FundamentalParameters, IAU Symposium 201, eds. A. N. Lasenby & A. Wilkinson, (Machester),Aug 2000.

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