Проект SKA (Square Kilometre Array)


Проект SKA (Square Kilometre Array)

Проект SKA (Square Kilometre Array)Проект SKA (Square Kilometre Array) планирует создать беспрецедентно чувствительный наземный радиотелескоп. Разработка этого проекта началась ещё в конце 20 века. Первоначально его общая эффективная площадь планировалась как один км2 (отсюда и название), но сейчас решено её увеличить к 2030 году до 5 км2. Сейчас общая стоимость проекта оценивается минимум в 1.8 млрд. долларов. В связи с огромной стоимостью проекта в нем участвуют почти все крупнейшие экономики мира: Китай, Индия, Германия, Великобритания, Италия, Канада, Австралия, Новая Зеландия, ЮАР и Швеция.

Основные параметры SKA

Основные параметры SKA

Для покрытия максимально возможного диапазона радиочастот (от 50 мегагерц до 14 гигагерц) планируется использовать антенны двух типов: низкочастотные дипольные антенны и 12-15 метровые параболические антенны. Первые чувствительны к диапазону от 50 до 350 мегагерц, вторые покрывают диапазон от 350 мегагерц до 14 гигагерц. Дипольные антенны будут группироваться в 100-метровые станции, стоящие из 90 антенн.

Географическое расположение телескопа

Географическое расположение телескопа в Австралии и Африке

Географическое расположение телескопа в Австралии и Африке

Географически радиотелескоп будет стоять из трех основных частей:

  • Два 5-км ядра в ЮАР и Западной Австралии, содержащие примерно половину антенн радиотелескопа;
  • 180-км расширения двух ядер;
  • Изолированные станции, состоящие из 20 антенн, которые будут находиться на расстоянии до 3 тыс. км от двух ядер радиотелескопа. Станции будут размещены в Новой Зеландии, Ботсване, Гане, Кении, Мадагаскаре, Маврикии, Мозамбике, Намибии и Замбии.

Три фазы проекта

SKA1. В ходе первой фазы планируется до 2023 года довести эффективную площадь радиотелескопа до примерно половины квадратного километра. В ходе неё будет установлено 200 из 3 тыс. планируемых параболических антенн в ЮАР и 130 тыс. дипольных антенн (из 2 млн. планируемых) в Австралии.  Общая эффективная площадь обоих сегментов составит 33 и 419 тыс. м2, а объем генерируемой информации до 2 и 157 терабайт каждую секунду или 0.062 и 4.9 зетабайт каждый год соответственно. Ежедневный объем информации, генерируемый южноафриканским сегментом, будет эквивалентен объему памяти 340 тыс. ноутбуков, а австралийский сегмент каждую секунду будет генерировать объем информации равный 35 тысяч DVD-дисков или пятикратному объему трафика всемирного Интернета в 2015 году. Первый этап обойдется примерно в 0.8 млрд. долларов.

Расположение антенн

Расположение антенн

Тем самым к 2022 году SK1 станет крупнейшим радиотелескопом в мире. Для сравнения характеристики крупнейших телескопов в мире к настоящему времени:

  •  500-метровый радиотелескоп в Китае с общей эффективной площадью в 71 тыс. м2;
  •  Европейский массив LOFAR из 34 тысяч низкочастотных антенн c общей эффективной площадью в 52 тыс. м2;
  •  Индийский массив GMRT из 30 45-м низкочастотных параболических антенн с общей эффективной площадью в 48 тыс. м2;
  •  300-метровый радиотелескоп в Аресибо с общей эффективной площадью в 42 тыс. м2;
  •  Американский массив JVLT, состоящий из 27 25-метровых антенн с общей эффективной площадью в 13,2 тыс. м2.
Последние характеристики

Последние характеристики

В зависимости от рабочей частоты телескоп SKA1 будет обладать разной эффективной площадью: 0.7 км2 на частоте 100 мегагерц, 0.2 км2 на частоте 200 мегагерц, 0.3 км2 на частоте 300 мегагерц и 0.033 км2 на более высоких частотах. В сравнении с LOFAR и JVLT SKA1 будет превосходить их по разрешению в 1.2 и 4 раза, по скорости обзоров 135 и 60 раз, а чувствительности в 8 и 5 раз соответственно. Последние характеристики SKA1:

SKA2. В ходе второй фазы планируется до 2030 года довести рабочую площадь радиотелескопа до 5 км2.

Чувствительность SKA к радиоволнам

Чувствительность SKA к радиоволнам

Кроме доведения числа обычных параболических и дипольных антенн до нескольких тысяч и миллионов соответственно, планируется развернуть третье ядро нового типа среднечастотных антенн (наподобие использованных в ядре радиотелескопа LOFAR). Сообщается, что возможности новых антенн с полем зрения в 100 квадратных градусов сравнимы с 10-гигапиксельной оптической спектроскопической камерой.

Третье ядро нового типа среднечастотных антенн SKA
Третье ядро нового типа среднечастотных антенн SKA
Третье ядро нового типа среднечастотных антенн SKA

Подобные антенны за счет возможности проведения радиообзоров всего неба обладают большим потенциалом для поиска сигналов внеземных цивилизаций:

Среднечастотные антенны SKA

Среднечастотные антенны SKA

Отмечается, что если объем генерации информации параболическими антеннами будет сравним с 10-кратным трафиком всемирного Интернета, то в случае со среднечастотными антеннами этот показатель будет уже сравним со 100-кратным трафиком всемирного Интернета.

SKA3. В ходе последней фазы планируется расширить диапазон чувствительности радиотелескопа до 30 гигагерц.

Прототипы системы

Наглядная иллюстрация огромного объема данных, которые будет генерировать новый радиотелескоп

Наглядная иллюстрация огромного объема данных, которые будет генерировать новый радиотелескоп

Ещё до начала сооружения первой фазы SKA в Австралии и ЮАР были построены три прототипа системы:

  • В ходе австралийского проекта ASKAP (Australian SKA Pathfinder) стоимостью в 100 миллионов долларов в Западной Австралии в 2010-2012 годах были установлены 36 параболических антенн диаметром в 12 метров с общей эффективной площадью в 4 тысячи м2 (максимальная база 6 км). Проект отличается большим полем зрения в 30 квадратных градусов на 1.4 гигагерц, рабочий диапазон 0.7-1.8 гигагерц.
  • В ходе южноафриканского проекта MeerKAT в Южной Африке к 2018 году установят 64 13.5-метровые параболические антенны с рабочим диапазоном между 0.58 и 14 гигагерц с общей с эффективной площадью в 9 тыс. м2 (максимальная база 29 км). В 2016 году сообщалось, что во время тестовых наблюдений первых 16 телескопов проекта на участке неба площадью в 0.01% от общей площади неба было зарегистрировано 1230 галактик (ранее было известно только 18 из них).
  • В ходе австралийского проекта MWA (Murchison Widefield Array) в Западной Австралии был создан низкочастотный массив диаметром в 3 км, состоящий из 2048 дипольных антенн с рабочим диапазоном 80-300 мегагерц и общей собирающей площадью в 2500 м2.

Ожидается, что после начала работы радиотелескоп будет генерировать огромное количество сырых данных: около 1 экзобайта в сутки, что соответствует сегодняшнему объему суточного трафика всемирного Интернета или суммарному объему памяти 15 млн. 64 GB IPad-ов. После сжатия данных суточной объем информации радиотелескопа можно уменьшить до 1 петабайта. Но даже для такого объема корпорации IBM приходится разрабатывать ленточные накопители объемом по 35 терабайт с рекордной плотностью записи информации (29,5 Гбит на квадратный дюйм).

Как видно из схемы выше астрономия существенно опередила даже геномику. Ещё одна иллюстрация соревнования астрономии над геномикой в области “Big Data”:

Базы данных к 2025 году

Базы данных к 2025 году

Для обработки огромного количества информации потребуются вычислительные мощности равные 100 петафлопам, что сравнимо с мощнейшими суперкомпьютерами из списка топ-500.

Научные задачи радиотелескопа SKA

Главными научными задачами радиотелескопа SKA проекта называются:

  • Изучение очень молодой Вселенной (первые звезды и галактики, межзвездная среда);
  • Вопросы возникновения жизни во Вселенной;
  • Изучение магнитных полей звезд и галактик;
  • Поиск несоответствий в современной теории гравитации для разработки новой более фундаментальной теории гравитации;
  • Поиск новых явлений и объектов;
  • Поиск ответа на вопрос из чего состоит темная материя и энергия.

По первому пункту ожидается, что низкочастотный сегмент радиотелескопа сможет обнаружить облака межгалактического нейтрального водорода с рекордно большим красным смещением (z=6-27), что соответствует возрасту Вселенной в 100-1000 млн. лет. При этом угловое разрешение изображений составит около 10 угловых минут при поле зрения в 10 квадратных градусов. Один угловой градус на удалении в z=8 соответствует 100 мегапарсек. Для сравнения сейчас рекорд красного смещения для галактики составляет z=11.

Первые звезды и галактики

Первые звезды и галактики

По второму вопросу возможностей SKA для обнаружения сигналов аэропортного радара на удалении в 50 световых лет от Земли. Сигналы аналогов земных военных радаров СПРН радиотелескоп за неделю наблюдений может обнаружить до удаления в несколько сотен парсек. По более свежим расчетам SKA2 может проверить до миллиона звезд на наличие аналогов земных аэропортных радаров (со временем наблюдения в 60 минут и статистической достоверностью обнаружения в 12 сигм):

График показывающий возрастание регистрируемых звездных систем

График показывающий возрастание регистрируемых звездных систем

В дополнение ожидается обнаружение радиоизлучения от полярных сияний на экзопланетах у близких звезд.

Пульсары

Пульсары

Другой важной задачей радиотелескопа может стать поиск новых радиопульсаров. Считается, что SKA1 сможет обнаружить больше 15 тысяч ранее неизвестных радиопульсаров (сейчас их известно около 2600):

Предполагается, что после SKA не останется неизвестных пульсаров в нашей галактике (сейчас оцениваемое число нейтронных звезд в нашей галактике близко к 100 тысячам, но только у 20% из них радиоимпульсы направлены к земному наблюдателю). Кроме того ожидается, что тайминг пульсаров на SKA позволит получить беспрецедентные возможности для поиска гравитационных волн и ультралегких частиц темной материи:

Другой вариант прогноза чувствительности SKA к гравитационным волнам:

Тайминг пульсаров
Чувствительность к гравитационным волнам
Параллаксы пульсаров

Рассматриваются варианты присоединения к радиотелескопу других радиотелескопов для увеличения базы с 3 до 9 тысяч км. Это позволит увеличить число пульсаров, для которых можно измерить тригонометрический параллакс с точностью лучше 20% до 4.5 тысяч (на 50%).

Азиатские радиотелескопы

Азиатские радиотелескопы

В частности рассматривается возможность подключения азиатских радиотелескопов.Для обмена данными предлагается использовать подводные оптико-волоконные кабели с пропускной способностью в 10 гигабит в секунду:

Передающие кабели

Передающие кабели

Измерение точного расстояния до пульсаров является необходимым условием их тайминга с целью поиска гравитационных волн и частиц темной материи. Ещё одним интересным приложением SKA может стать поиск слабого радиоизлучения Луны, вызванного попаданием в лунную поверхность частиц космических лучей ультравысоких энергий.

В целом же ожидается, что 10 часовые наблюдения SKA смогут зарегистрировать порядка 100 миллиардов радиоисточников до 0.1 микроЯн.

А пока SKA ещё не построен, его работоспособные прототипы уже ведут ценные научные исследования. Так австралийский массив ASKAP проводит наиболее глубокий всенебесный радиообзор неба EMU (Evolutionary Map of the Universe) с чувствительностью в 10 микроЯн и угловым разрешением в 10”. Ожидается, что в ходе обзора будет обнаружено 70 миллионов радиоисточников. Для сравнения сейчас в радиодиапазоне зарегистрировано только 2.5 миллиона радиоисточников.

Радиообзоры

Радиообзоры

В это же время южноафриканский прототип MeerKAT отметился наблюдениями знаменитого слияния нейтронных звезд 14 августа этого года. Эти наблюдения в августе-сентябре показали, что на длине волны 1.4 гигагерц светимость радиоисточника на месте слияния нейтронных звезд не ярче 60 микроЯн.


comments powered by HyperComments

Подпишись на рассылку лучших статей от Spacegid.com. Без спама.
Нажимая на "Подписаться", вы даете согласие на обработку персональных данных

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 545
Система Orphus