Ραδιοτηλεσκόπιο του Αρεσίμπο

Γενικά χαρακτηριστικά

Η επιφάνεια συλλογής ραδιοκυμάτων του τηλεσκοπίου έχει διάμετρο 305 μέτρα και κατασκευάσθηκε μέσα σε μία φυσική κοιλότητα του εδάφους (καρστική καταβόθρα). Είναι η μεγαλύτερη στον κόσμο και αποτελείται από 38.778 πλάκες αλουμινίου, 1 επί 2 μέτρα περίπου η καθεμιά, που υποστηρίζονται από ένα δίχτυ χαλύβδινων καλωδίων.
Αυτή η τεράστια επιφάνεια, εμβαδού 73 στρεμμάτων, έχει σχήμα σφαιρικό και όχι παραβολοειδές όπως στα περισσότερα ραδιοτηλεσκόπια. Για να στοχεύσει το όργανο προς κάποια κατεύθυνση, ο δέκτης κινείται ώστε να συλλάβει τα σήματα που ανακλώνται από την κατεύθυνση αυτή από την επιφάνεια, η οποία παραμένει ακίνητη. Αν ο ανακλαστήρας ήταν παραβολοειδές, αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα ένα διαφορετικό βαθμό αστιγματισμού για διαφορετικές θέσεις του δέκτη έξω από την εστία, ενώ το σφαιρικό σφάλμα είναι το ίδιο για όλες τις διευθύνσεις.
Το τηλεσκόπιο διαθέτει τρεις πομπούς ραντάρ με ισοδύναμη ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύ (EIRP) 20 TW (τεραβάτ) στα 2380 MHz, 2,5 TW (μέγιστο παλμού) στα 430 MHz και 300 MW στα 47 MHz.
Ο δέκτης βρίσκεται πάνω σε μία πλατφόρμα βάρους 900 τόνων που αιωρείται στον αέρα 150 μέτρα (m) πάνω από την ανακλαστική επιφάνεια από 18 συρματόσχοινα, τα οποία είναι στερεωμένα σε τρεις πύργους από ενισχυμένο σκυρόδεμα. Ο ένας από τους πύργους έχει ύψος 110 m από τη βάση του, ενώ οι άλλοι δύο 80 m (οι κορυφές τους όμως βρίσκονται στο ίδιο ύψος). Η πλατφόρμα έχει μία περιστρεφόμενη τοξοειδή τροχιά, τον αζιμουθιακό βραχίονα, μήκους 93 m, πάνω στον οποίο κινούνται οι κεραίες-δέκτες, ο δευτερεύων και τριτεύων ανακλαστήρας. Η κίνησή τους επιτρέπει στο ραδιοτηλεσκόπιο να παρατηρεί οποιονδήποτε στόχο στον ουρανό που βρίσκεται μέσα σε ένα κώνο 40 μοιρών γύρω από το τοπικό ζενίθ, δηλαδή σε αποκλίσεις ανάμεσα σε −1 και 38 μοίρες. Η γεωγραφική θέση του Πουέρτο Ρίκο κοντά στον ισημερινό επιτρέπει στο Ραδιοτηλεσκόπιο του Αρεσίμπο να παρατηρεί όλους τους πλανήτες στο Ηλιακό Σύστημα, παρότι ο χρόνος με επιστροφή για τα ραδιοκύματα μέχρι σώματα πέρα από τον Κρόνο είναι μεγαλύτερος από το χρονικό διάστημα κατά το οποίο το όργανο μπορεί να τα ακολουθήσει στον ουρανό, απαγορεύοντας έτσι παρατηρήσεις ραντάρ των πιο μακρινών σωμάτων.

Σχεδιασμός και αρχιτεκτονική

Το Ραδιοτηλεσκόπιο του Αρεσίμπο κατασκευάσθηκε από τα μέσα του 1960 μέχρι τον Νοέμβριο του 1963, από τον Γουίλιαμ Ε. Γκόρντον του Πανεπιστημίου Κορνέλ, που σκόπευε να το χρησιμοποιήσει για να μελετήσει την ιονόσφαιρα της Γης. Το αρχικό σχέδιο προέβλεπε σταθερό παραβολοειδές κάτοπτρο με έναν πύργο ύψους 150 m που θα συγκρατούσε τον εξοπλισμό στην εστία του. Αυτό το σχέδιο θα είχε περιορισμένη χρήση σε άλλους τομείς έρευνας, όπως είναι η πλανητολογία και η ραδιοαστρονομία, για τους οποίους θα ήταν απαραίτητη η ικανότητα σκοπεύσεως σε διαφορετικές διευθύνσεις και η παρακολούθηση των στόχων καθώς η Γη περιστρέφεται. Ο Ward Low του Γραφείου Προχωρημένων Ερευνητικών Προγραμμάτων (ARPA) του αμερικανικού στρατού τού υπέδειξε αυτή την παράβλεψη και τον έφερε σε επικοινωνία με το εργαστήριο της πολεμικής αεροπορίας (Air Force Cambridge Research Laboratory, AFCRL) στη Βοστώνη, όπου μία ερευνητική ομάδα υπό τον Φιλ Μπλάκσμιθ εργαζόταν πάνω σε σφαιρικούς ανακλαστήρες και μία άλλη πάνω στη διάδοση των ραδιοκυμάτων μέσα στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Το Πανεπιστήμιο Κορνέλ πρότεινε το πρόγραμμα κατασκευής στο ARPA το καλοκαίρι του 1958 και ένα σχετικό συμβόλαιο υπογράφηκε ανάμεσα στο AFCRL και στο πανεπιστήμιο τον Νοέμβριο 1959.
Ο Γιώργος Δουνδουλάκης (George Doundoulakis), διευθυντής ερευνών στη General Bronze Corporation στο Γκάρντεν Σίτυ της Νέας Υόρκης, και ο Σήαρς (Sears), διευθυντής εσωτερικού σχεδιασμού στη Digital B & E Corporation της Νέας Υόρκης, πήραν την αίτηση για υποβολή προτάσεων (RFP) από το Κορνέλ για τον σχεδιασμό της κεραίας και μελέτησαν την ιδέα να γίνει η τροφοδοσία εναέρια μαζί με τον αδελφό του πρώτου, Ηλία Δουνδουλάκη, που ήταν πολιτικός μηχανικός. Ο Γιώργος κατάλαβε το πρόβλημα που θα παρουσίαζε το εμπόδιο ενός πύργου ή τριπόδου στην περιοχή γύρω από το κέντρο, τη σημαντικότερη για τον ανακλαστήρα, και σκέφθηκε μία αποτελεσματικότερη και φθηνότερη προσέγγιση με αιωρούμενη τροφοδοσία. Παρουσίασε την πρότασή του στο Κορνέλ βελτιωμένη με ένα τοροειδή κορμό που θα κρεμόταν από 4 συρματόχοινα από ισάριθμους πύργους πάνω από τον ανακλαστήρα, και με μια σιδηροτροχιά για την αζιμουθιακή κίνηση της τροφοδοσίας. Δεύτερος, τοξοειδής κορμός θα ήταν κρεμασμένος από κάτω και θα περιστρεφόταν κατά 360 μοίρες, ενώ ένα αντίβαρο θα κινιόταν συμμετρικά αντίθετα από την τροφοδοσία για σταθερότητα. Ολόκληρο το σύστημα θα μπορούσε να χαμηλώνει και να υψώνεται σε περίπτωση τυφώνα. Ο Ηλίας Δουνδουλάκης σχεδίασε τελικά το σύστημα αιωρήσεως με συρματόσχοινα-καλώδια που υιοθετήθηκε στην τελική κατασκευή. Παρότι η σημερινή κατασκευή είναι ουσιαστικά η ίδια με τα αρχικά σχέδια του Γιώργου και του Ηλία (με την εξαίρεση της αναρτήσεως από τρεις πύργους αντί των αρχικών τεσσάρων), το αμερικανικό Γραφείο Ευρεσιτεχνιών έδωσε την πατέντα στον Ηλία για την καινοτόμο ιδέα των δύο αδελφών.
Οι εργασίες κατασκευής άρχισαν το καλοκαίρι του 1960 και τα επίσημα εγκαίνια έγιναν την 1η Νοεμβρίου 1963. Καθώς το κύριο κάτοπτρο είναι σφαιρικό, η εστία του είναι μία γραμμή και όχι ένα σημείο. Για τον λόγο αυτό, περίπλοκες γραμμικές τροφοδοσίες έπρεπε να χρησιμοποιηθούν για τη συλλογή και τη μεταφορά των σημάτων των παρατηρήσεων. Η καθεμιά κάλυπτε ένα στενό φάσμα συχνοτήτων (± 2 ως 5% της κεντρικής συχνότητας), ενώ ένας περιορισμένος αριθμός τέτοιων γραμμών μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ταυτόχρονα, περιορίζοντας έτσι την ευελιξία του τηλεσκοπίου.
Ως αρχιτέκτονες του αστεροσκοπείου αναφέρονται οι Γουίλιαμ Ε. Γκόρντον και Τ.Σ. Κάβανω (T.C. Kavanaugh).
Το ραδιοτηλεσκόπιο έχει αναβαθμισθεί αρκετές φορές. Αρχικώς, όταν η μέγιστη αναμενόμενη συχνότητα λειτουργίας ήταν περί τα 500 MHz, η επιφάνεια αποτελείτο από ένα δίχτυ από γαλβανισμένο σύρμα της μισής ίντσας. Το 1974 μία επιφάνεια υψηλότερης ακρίβειας από χιλιάδες πλάκες αλουμινίου που μπορούσαν να ρυθμισθούν η καθεμιά ξεχωριστά αντικατέστησε το παλαιό δίχτυ, οπότε η μέγιστη χρήσιμη συχνότητα αυξήθηκε κατά μία τάξη μεγέθους, στα περίπου 5000 MHz. Επιπλέον, ένα γρηγοριανό σύστημα ανακλαστήρων εγκαταστάθηκε το 1997, ενσωματώνοντας δευτερεύον και τριτεύον κάτοπτρο για την εστίαση των ραδιοκυμάτων σε ένα σημείο. Αυτό επέτρεψε την εγκατάσταση ενός συνολου δεκτών, το οποίο κάλυπτε ολόκληρο το φάσμα από τα 1 ως τα 10 GHz και που μπορούσε εύκολα να μεταφερθεί πάνω στο εστιακό σημείο, δίνοντας μεγάλη ευελιξία στο Αρεθίμπο. Την ίδια εποχή ένα «παραπέτασμα εδάφους» υψώθηκε στην περίμετρο για να μπλοκάρει τη θερμική ακτινοβολία του εδάφους, ενώ ένας ισχυρότερος αναμεταδότης των 2400 MHz εγκαταστάθηκε. Σήμερα το ραδιοτηλεσκόπιο μπορεί να πραγματοποιήσει παρατηρήσεις σε μήκη κύματος από 3 cm ως 1,00 μέτρο.

Επιστημονική έρευνα και ανακαλύψεις

Πολλές σημαντικές επιστημονικές ανακαλύψεις έγιναν με τη χρήση του Ραδιοτηλεσκοπίου του Αρεσίμπο. Στις 7 Απριλίου 1964, λίγο μετά την έναρξη της λειτουργίας του, η ομάδα του Γκόρντον Πέτεντζιλ το χρησιμοποίησε για να ανακαλύψει ότι η περίοδος περιστροφής του πλανήτη Ερμή γύρω από τον άξονά του δεν ήταν 88 γήινες ημέρες, όπως πιστευόταν ως τότε, αλλά μόλις 59. Το 1968, η ανακάλυψη της περιόδου του Πάλσαρ του Μ1 (33 msec) από τους Lovelace κ.ά. προσέφερε την πρώτη ισχυρή ένδειξη για την ύπαρξη αστέρων νετρονίων στο πραγματικό Σύμπαν. Το 1974, οι Χαλς και Τέιλορ ανεκάλυψαν τον πρώτο διπλό πάλσαρ, τον PSR B1913+16, ένα επίτευγμα για το οποίο τιμήθηκαν αργότερα με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Το 1982 ανακαλύφθηκε ο πρώτος πάλσαρ με περίοδο χιλιοστών του δευτερολέπτου (millisecond pulsar), ο PSR B1937+21, από τους Ντόναλντ Μπάκερ, Σρίνιβας Κουλκάρνι, Καρλ Χέιλς, Μάικλ Ντέιβις και Μίλερ Γκος. Αυτό το σώμα περιστρέφεται 642 φορές το δευτερόλεπτο και μέχρι την ανακάλυψη του PSR J1748-2446ad το 2005, ήταν το ταχύτερα περιστρεφόμενο ουράνιο σώμα που ήταν γνωστό.
Τον Αύγουστο του 1989 το Αστεροσκοπείο του Αρεσίμπο απεικόνισε απευθείας έναν αστεροειδή για πρώτη φορά στην Ιστορία: τον 4769 Κασταλία. Το επόμενο έτος ο Πολωνός αστρονόμος Αλεκσάντερ Βόλσταν ανεκάλυψε τον πάλσαρ PSR B1257+12 και τους τρεις πλανήτες του, που υπήρξαν οι πρώτοι εξωηλιακοί πλανήτες που ανακαλύφθηκαν ποτέ. Το 1994 ο Τζων Χάρμον χαρτογράφησε με τη βοήθεια του Ραδιοτηλεσκοπίου του Αρεθίμπο την κατανομή πάγου στους πόλους του Ερμή.
Τον Ιανουάριο του 2008 η ανίχνευση των οργανικών μορίων μεθανιμίνη και Υδροκυάνιο αναφέρθηκε από ραδιοφασματοσκοπικές παρατηρήσεις από το Αστεροσκοπείο του Αρεσίμπο του μακρινού γαλαξία Arp 220.

Διαφορετικές χρήσεις

Με το Ραδιοτηλεσκόπιο του Αρεσίμπο διενεργούνται και πειράματα αερονομίας, όπως το πείραμα Coqui 2 της NASA. Κατά το παρελθόν το όργανο χρησιμοποιήθηκε και για στρατιωτική κατασκοπεία, όπως ήταν ο εντοπισμός Σοβιετικών εγκαταστάσεων ραντάρ από την ανίχνευση των σημάτων τους που ανακλώνταν από τη Σελήνη.
Το Αρεσίμπο αποτελεί την πηγή δεδομένων για τα προγράμματα κατανεμημένου υπολογισμού SETI@home και Astropulse που ξεκίνησαν από το Εργαστήριο Διαστημικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϊ. Χρησιμοποιήθηκε επίσης από το Ίδρυμα SETI για παρατηρήσεις του Προγράμματος Φοίνιξ. Εξάλλου, το πρόγραμμα κατανεμημένου υπολογισμού Einstein@Home έχει ανακαλύψει περισσότερους από 20 πάλσαρ σε δεδομένα του Αρεθίμπο.

Το Κέντρο Επισκεπτών του Ιδρύματος Άνχελ Ράμος

Ανοικτό από το 1997, το «Κέντρο Επισκεπτών του Ιδρύματος Άνχελ Ράμος» (Ángel Ramos Foundation Visitor Center) έχει διαδραστικά εκθέματα και παρουσιάσεις σχετικά με τις εργασίες του ραδιοτηλεσκοπίου, την αστρονομία και τις επιστήμες της ατμόσφαιρας. Το κέντρο φέρει το όνομα του ιδρύματος προς τιμή του βιομηχάνου Ángel Ramos, ιδιοκτήτη της εφημερίδας El Mundo του Πουέρτο Ρίκο και ιδρυτή του σταθμού Telemundo. Το ίδρυμα διέθεσε το ήμισυ των κονδυλίων για την κατασκευή αυτού του κέντρου επισκεπτών του Αστεροσκοπείου του Αρεσίμπο, ενώ το άλλο μισό προήλθε από δωρεές ιδιωτών και του Πανεπιστημίου Κορνέλ. Κανονικά λειτουργεί από την Τετάρτη ως και την Κυριακή, με πρόσθετες ώρες λειτουργίας σε αργίες. Το 2012 το εισιτήριο εισόδου ήταν 10 δολάρια το κανονικό και 6 για παιδιά και ηλικιωμένους.

Θέματα χρηματοδοτήσεως

Μία αναφορά του τμήματος αστρονομικών επιστημών του Εθνικού Ιδρύματος Επιστήμης, που δημοσιοποιήθηκε στις 3 Νοεμβρίου 2006, πρότεινε σημαντική μείωση της χρηματοδοτήσεως του Αστεροσκοπείου του Αρεσίμπο, από 10,5 εκατομμύρια δολάρια το 2007 σε 4,0 εκατομμύρια δολάρια το 2011. Με αυτό το επίπεδο χρηματοδοτήσεως, το αστεροσκοπείο ουσιαστικά θα έκλεινε. Η NASA ήδη είχε εκμηδενίσει το μερίδιό της για πλανητικές παρατηρήσεις με ραντάρ στο Αρεσίμπο από το 2001 ως το 2006.
Οι ερευνητές απάντησαν με οργάνωση για να προστατεύσουν και να συνηγορήσουν υπέρ του αστεροσκοπείου. Δημιούργησαν την Arecibo Science Advocacy Partnership (ASAP), για τη διάδοση στο κοινό των επιτευγμάτων του στην αστρονομία, την αερονομία και την εξερεύνηση των σωμάτων του Ηλιακού Συστήματος με ραντάρ.
Συνεισφορές από την κυβέρνηση του Πουέρτο Ρίκο μπορούν να βοηθήσουν στην κάλυψη του χρηματοδοτικού κενού, αλλά είναι αβέβαιες και με την επιβαλλόμενη καθυστέρηση: Ο πρόεδρος της γερουσίας του Πουέρτο Ρίκο Κένεθ Μακκλίντοκ ανακοίνωσε τη χορήγηση 3 εκατομμυρίων δολαρίων από το οικονομικό έτος 2008 για τη συντήρηση των τριών πύργων από τους οποίους αιωρείται η πλατφόρμα της κεραίας, πρόταση που εγκρίθηκε από τη γερουσία στις 14/11/2007 και από τη βουλή των αντιπροσώπων του Πουέρτο Ρίκο στις 30 Ιουνίου 2008. Τελικά, ο κυβερνήτης του Πουέρτο Ρίκο υπέγραψε την απόφαση τον Αύγουστο 2008, αλλά το ποσό διατέθηκε το δεύτερο μισό του 2009.
Νομοθεσία για την εξασφάλιση της συνεχούς λειτουργίας του ραδιοτηλεσκοπίου προτάθηκε ως νομοσχέδια τον Οκτώβριο του 2007 και τον Απρίλιο του 2008 (από τη Χίλαρι Κλίντον).
Επειδή το Αστεροσκοπείο του Αρεσίμπο είναι ιδιοκτησία της Κυβερνήσεως των ΗΠΑ, δεν μπορούν να γίνουν απευθείας δωρεές προς αυτό από ιδιώτες ή ιδιωτικές επιχειρήσεις. Ωστόσο, ως μη κερδοσκοπικό ίδρυμα, το Πανεπιστήμιο Κορνέλ και η SRI International δέχονται συνεισφορές για λογαριασμό του.
Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστήμης ανέθεσε ακόμα και μελέτη για την κατεδάφιση του αστεροσκοπείου ώστε να επιστρέψει ο χώρος στη φυσική του κατάσταση σε περίπτωση που ο στόχος του προϋπολογισμού του δεν επιτυγχανόταν.
Τον Νοέμβριο του 2007 η Πλανητική Εταιρεία έκανε έκκληση προς το Κογκρέσο των ΗΠΑ να αποτρέψει το κλείσιμο του Αστεροσκοπείου, επειδή οι μελέτες του με ραντάρ συνεισφέρουν πολύ στην ακρίβεια των προβλέψεων των συγκρούσεων αστεροειδών με τη Γη. Η Πλανητική Εταιρεία πιστεύει ότι η συνέχιση της λειτουργίας του θα μειώσει το κόστος της αλλαγής της τροχιάς ενός γεωπλήσιου αστεροειδούς που θα βρισκόταν σε πορεία συγκρούσεως με τον πλανήτη μας, αν αυτό ήταν αναγκαίο. Εξάλλου, το πρόγραμμα SETI@home έκανε έκκληση στους Αμερικανούς πολίτες να στείλουν επιστολές στους βουλευτές τους προς υποστήριξη της πλήρους κρατικής χρηματοδοτήσεως του Αστεροσκοπείου.
Από το οικονομικό έτος 2010, η NASA άρχισε να συνεισφέρει 2 εκατομμύρια δολάρια ετησίως στο Αρεσίμπο για μελέτες πλανητικής επιστήμης με έμφαση στη μελέτη των γεωπλήσιων αστεροειδών.
Μετά και επιπλέον περικοπές του προϋπολογισμού του, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστήμης πληροφόρησε το Κορνέλ ότι από την 1η Οκτωβρίου 2011 δεν θα είχε πλέον το μάνατζμεντ του Εθνικού Κέντρου Αστρονομίας και Ιονόσφαιρας, και επομένως και του Αστεροσκοπείου του Αρεθίμπο.
Σήμερα το αστεροσκοπείο λειτουργείται από την εταιρεία SRI International από κοινού με την Κοινοπραξία Πανεπιστημίων για τη Διαστημική Έρευνα (Universities Space Research Association, USRA) και το Μητροπολιτικό Πανεπιστήμιο του Πουέρτο Ρίκο (Universidad Metropolitana).