Instrumentação

As observações da RCFM são realizadas utilizando-se técnicas de radioastronomia. Em microondas, duas tecnologias distintas são utilizadas para medir anisotropias na RCFM: radiômetros, que utilizam amplificadores baseados em diodos HEMT (High Electron Mobility Transistors) e bolômetros. Radiômetros utilizam detectores coerentes sensíveis ao ruído térmico gerado numa antena devido a um dado fluxo em rádio nela incidente. Detectores coerentes são aqueles que preservam a informação da fase do sinal. Há diversas montagens de radiômetros. Os mais simples são do tipo potência total e medem continuamente o sinal recebido pela antena. Radiômetros do tipo Dicke alternam o sinal de uma região do céu recebido pela antena com o sinal de uma carga de referência, mantida a uma temperatura constante, ou com o sinal de uma outra região do céu. O sinal resultante é proporcional à diferença das temperaturas de ruído da antena e da carga (ou proporcional à diferença de temperatura das duas regiões do céu). Em geral, esse tipo de receptor é usado em freqüências menores que $\approx 120$ GHz.

Bolômetros são detectores térmicos não-coerentes nos quais os fótons incidentes geram variações de temperatura em um material absorvedor. Um termômetro feito com material que apresenta grande variação na resistência elétrica $R$ para pequenas variações de temperatura é acoplado ao material absorvedor. A resistência $R$ do termômetro muda com a temperatura. Aplicando-se uma corrente constante $I$ ao termômetro, variações em $R$ geram variações na voltagem $V$ de um circuito que são amplificadas e medidas. Bolômetros são sensíveis à radiação em qualquer freqüência e direção, sendo chamados de detectores incoerentes (não preservam a fase da radiação incidente). Por esse motivo, o absorvedor é usualmente colocado em uma cavidade, de modo a melhorar a eficiência do detector por múltiplas reflexões e a seleção em freqüência é realizada por filtros. Esses detectores são usados em freqüências maiores que $\approx 120 GHz$.

Dependendo da característica da RCFM que se quer medir, deve-se utilizar técnicas de medidas absolutas ou diferenciais de temperatura. O experimento FIRAS-COBE, por exemplo, foi projetado para medir o espectro da RCFM e utilizou, para isso, medidas absolutas da temperatura da RCFM. As medidas absolutas são obtidas por integração do sinal incidente, sendo somente calibradas utilizando-se uma fonte externa. O espectro medido pelo FIRAS-COBE, ajustado a uma curva de corpo negro, forneceu uma temperatura $T = 2,\!726 \pm 0,\!002$ K para a RCFM. O DMR-COBE realizou medidas diferenciais, isto é, subtraindo os sinais do céu provenientes de duas cornetas separadas por $60^{\circ}$, que delimitavam, cada uma, regiões de $7^{\circ}$ no céu e encontrou, para as flutuações de temperatura, um valor $\Delta{T}_{quad} \approx 16 \mu K$.

O fluxo coletado por um detector de microondas é convertido em voltagem $V$ e deve ser calibrado em unidades físicas. Tipicamente, a calibração é feita em termos de temperatura de antena, $T_{A}\equiv P/k\Delta\nu$, que é proporcional à potência $P$ recebida por unidade de banda $\Delta\nu$. Para uma boa calibração, é necessário utilizar uma fonte estável com fluxo conhecido. Júpiter ou Marte, por exemplo, fornecem um sinal de $\sim 100$ mK, em comprimentos de onda milimétricos, para uma corneta com abertura de $\sim 10'$.

Devido à baixa relação sinal-ruído das medidas da RCFM, um dos grandes desafios encontrados na preparação e execução dos experimentos é identificar e rejeitar erros sistemáticos, tais como distorção do feixe principal, sinais espúrios captados pelos lóbulos laterais da antena, imprecisão no apontamento do instrumento, discrepâncias de calibração, ruído $1/f$, flutuações periódicas e térmicas causadas por modulações no sinal devidas à atmosfera e variações de ganho nos receptores. A compreensão desses fatores é que permitirá a obtenção de uma melhor razão sinal-ruído e, conseqüentemente, de uma melhor determinação das propriedades da RCFM.