Omniscopios: Para bajar el costo de conjuntos de antenas

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Dos investigadores proponen cómo reducir el costo computacional en los conjuntos muy grandes de antenas transformándolos en omniscopios.

Los astrónomos quieren mayores y mejores telescopios cada día. Pero en el mundo de radiotelescopios la mayor sensibilidad requiere una mayor área de superficie y los costos crecen exponencialmente.
Es por eso que los astrónomos están interesados en un enfoque menos oneroso: conectar muchas antenas menores para formar un interferómetro. Semejante conjunto de antenas puede ser tan grande como queramos.

Los conjuntos muy grandes más conocidos son los de NRAO VLA, que consiste en 27 antenas de 25 metros cada una dispuestas en forma de "Y".
El Allen Telescope Array, que actualmente tiene 42 antenas, al completarse, tendrá 350.
ESO Very Large Telescope Array o VLT es un sistema de cuatro telescopios en Chile.

El problema es que en interferometría, las señales de cada antena deben ser correlacionadas con las demás y el costo computacional es proporcional al cuadrado del número de antenas.
Así que se vuelve prohibitivo rápidamente. Pero Max Tegmark de MIT y el argentino Matías Zaldarriaga, en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton proponen dos medidas para reducir los costos.

La primera es dividir el conjunto de antenas en grupos, cada uno considerado como un elemento. Esto reduce el costo de correlación de N² a (N/M)², al precio de reducir la cobertura del cielo por un factor M. En otras palabras, el ahorro surge de desechar información disponible del cielo y así no computarla.

La segunda medida es reconfigurar las antenas en una grilla rectangular que puede ser correlacionada usando un eficiente algoritmo llamado "Transformada rápida de Fourier". Este algoritmo es utilizado en el procesamiento de señales, estadística, tratamiento de imagen, reducción de ruido, etc.
Esto reduce nuevamente el costo computacional de N² a N log₂ N al precio de una resolución menor.
En un nuevo artículo científico, los investigadores se preguntan qué tipo de diseño de antenas permiten un procesamiento de señales de bajo costo sin descartar ninguna información. Y muestran que esa clase puede ser increíblemente grande, no sólo grillas rectangulares, sino una amplia variedad de combinaciones.

"Esto abre la posibilidad de obtener lo mejor de ambos mundos, combinando procesamiento de señales asequible con una cobertura adaptada a las necesidades científicas específicas".

En el artículo, ilustran con algunos ejemplos las posibilidades. Para eso otorgaron una denominación a cada diseño: 3-level, Plank, Strips, Blocks.
Y realizaron comparaciones entre los diseños propuestos con diseños del conjunto Murchinson Widefield Array (MWA). MWA es un radio telescopio de baja frecuencia, en construcción, que consistirá en 512 antenas divididas en 32 conjuntos (tiles) de 16 antenas cada uno dispuestos en forma cuadrada (4x4).

En la imagen se muestra una comparación entre la distribución de cuatro diseños MWA con costo N² (arriba) con distribuciones de cuatro grillas jerárquicas con costos computacionales de N Log N (abajo).

Zaldarriaga y Tegmark utilizan el término omniscopio ya que, según dicen, los conjuntos o arreglos que proponen serían omnidireccionales y omnicromáticos y no enfocándose en un determinado objeto distante.

Sobre Matías Zaldarriaga
El joven Doctor en física estudió en la Universidad de Buenos Aires y hace una década que vive en Estados Unidos. Obtuvo la beca al "genio" de la fundación Mac Arthur en 2006. Nació en Argentina en 1971, se recibió de Licenciado en ciencias físicas en 1994 y obtuvo su doctorado en 1998 en MIT.

Sobre Max Tegmark
Max Tegmark nació en 1967. Es un cosmólogo sueco-americano, profesor en MIT. Trabajó en el análisis de datos en el Sloan Digital Sky Survey. Formuló la hipótesis del universo matemático.