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.

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

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.

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.

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.

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.

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

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

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”:

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.

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):

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

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:

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%).

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

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.

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.