Tablica kilometrów kwadratowych

Tablica kilometrów kwadratowych (w skrócie SKA , po francusku „Sieć kilometra kwadratowego”) to gigantyczny projekt radioteleskopu o równoważnym obszarze zbierania jednego kilometra kwadratowego (jak sugeruje nazwa), składający się z kilku sieci interferometrycznych o długościach fal metrycznych i centymetrowych. SKA została zaprojektowana przez międzynarodowe konsorcjum naukowe w celu zbadania podstawowych zagadnień naukowych, od narodzin naszego Wszechświata po początki życia .

Jego rozmieszczenie planowane jest sukcesywnie w dwóch lokalizacjach, w Afryce Południowej, a następnie w Australii:

• Faza 1 (SKA1), której szacunkowy koszt to 674 mln euro (wartość z 2016 r.), A rozpoczęcie budowy planowane jest na 2020 r., Do oddania do 2024+, polega na zainstalowaniu około 10% docelowej sieci, w postaci około 200 teleskopów parabolicznych zlokalizowanych w Afryce Południowej (SKA1-MID) i 130 000 stałych anten fazowanych pracujących na niskich częstotliwościach w Australii Zachodniej (SKA1-LOW). SKA1 będzie stanowić ogromny skok jakościowy w porównaniu z istniejącymi instrumentami i pozwoli na zdecydowany postęp we wszystkich tematach współczesnej astrofizyki i fizyki, takich jak kosmologia , pochodzenie kosmicznych pól magnetycznych, środowisko międzygwiazdowe , formowanie się gwiazd w różnych okresach Wszechświat, fale grawitacyjne itp.
• Etap 2 (SKA2) przewiduje się w latach 2030. W tej ostatniej konfiguracji, SKA2 będzie ostatecznym niskiej częstotliwości radioastronomia narzędziem XXI p  wieku.

Począwszy od fazy 1, SKA będzie jedną z najpotężniejszych maszyn, jakie kiedykolwiek zostały wdrożone przez ludzi i zdecydowanie najbardziej imponującą pod względem przepustowości danych i wykorzystywanej mocy obliczeniowej. W porównaniu do Very Large Array , obecnie najlepszego instrumentu w tym zakresie częstotliwości, SKA1-MID będzie miał 4 razy wyższą rozdzielczość, 5 razy większą czułość i 60 razy szybciej, aby pokryć duże pola (tryb badania). Podobnie SKA1-low będzie 8 razy bardziej czuły i 125 razy szybszy niż LOFAR , obecnie najlepszy instrument w zakresie niskich częstotliwości SKA.

SKA będzie obserwować fale radiowe o niskiej częstotliwości i obejmie bezprecedensowy zakres długości fal , od około 50 MHz (długość fali 6 m) do ponad 20 GHz (długość fali 1,5 cm). Ten duży zasięg, porównywalny z zestawem miękkich X - UV - widzialnego - bliskiej podczerwieni, a także oczekiwany wzrost szybkości odczytu i jakości obrazu w porównaniu z obecnymi radioteleskopami, zapewni dostęp do nauki o transformacji długości, centymetrów i fale metryczne.

W Europie SKA jest uznawana za główną infrastrukturę badawczą i sztandarowy projekt Europejskiego Forum Strategii ds. Infrastruktur Badawczych (ESFRI).

Organizacja

Projekt jest obecnie pilotowany przez brytyjską organizację non-profit SKA Organization ( SKAO ), a jego następcą będzie międzyrządowa organizacja Obserwatorium SKA. Powinno to być wdrażane stopniowo od końca 2018 roku.

Siedziba SKAO znajduje się w Jodrell Bank w Wielkiej Brytanii.

Odkąd Hiszpania dołączyła do 19 czerwca 2018 r, członkowie Organizacji SKA numer 11.

Obserwatorzy w Zarządzie SKAO to: Niemcy, Francja reprezentowana przez CNRS-INSU, Japonia, Malta, Portugalia i Szwajcaria.

Historyczny

Historia SKA zaczyna się w połowie lat 80. Różne propozycje gigantycznych radioteleskopów są motywowane celami, od wykrycia linii HI 21 cm na odległości kosmologiczne lub radiowego wyszukiwania sygnałów emitowanych przez cywilizacje pozaziemskie ( SETI ), które wymagają znacznego zwiększyć czułość, a tym samym dużą powierzchnię zbierającą. Powierzchnia 1 km 2 jest szczególnie omówione na konferencji IAU motywowane przez 10 XX rocznicę Very Large Array w 1990 roku do Soccorro Nowym Meksyku.

1993: Międzynarodowa Unia Nauk Radiowych ( URSI ) tworzy grupę roboczą ds. Dużych teleskopów.

1994: Międzynarodowa Unia Astronomiczna tworzy grupę roboczą ds. Bardzo dużych przyszłych infrastruktur astronomicznych.

1997: protokół ustaleń między ośmioma instytucjami z sześciu krajów (Australii, Kanady, Chin, Indii, Holandii i Stanów Zjednoczonych) w celu przeprowadzenia programu badań technologicznych dla przyszłego bardzo dużego radioteleskopu.

1998: wybór nazwy „SKA”.

2000: podpisanie protokołu ustaleń (MoU) między przedstawicielami jedenastu krajów: Niemiec, Australii, Kanady, Chin, Indii, Włoch, Niderlandów, Polski, Wielkiej Brytanii, Szwecji i Stanów Zjednoczonych w miejsce międzynarodowego kierownictwa SKA komisja.

2001: wybór logo.

2003: utworzenie biura projektowego SKA.

2005: protokół ustaleń dotyczący rozwoju SKA; komitet sterujący zostaje powiększony do 21 członków (7 z Europy, 7 ze Stanów Zjednoczonych i 7 z reszty świata).

2007: wybór Uniwersytetu w Manchesterze na siedzibę biura projektu SKA.

W Maj 2012ostateczna decyzja o budowie SKA w dwóch lokalizacjach w Afryce Południowej i Australii. W Australii część SKA o niskiej częstotliwości zostanie zainstalowana w regionie Mileura  (in) w pobliżu Meekatharra w krajach zachodnich. W Afryce Południowej część projektu o średniej częstotliwości będzie zlokalizowana na pustyni Karoo na południowym zachodzie.

Cele naukowe

Emisja 21 cm neutralnego wodoru

Idea „Tablicy Kilometrów Kwadratowych” sięga końca lat osiemdziesiątych XX w. Pierwotnie była to kwestia pomiaru 21 cm linii neutralnego wodoru (HI) obiektów znajdujących się w odległościach kosmologicznych, emisja przesunięta w kierunku czerwony, a więc w kierunku niższych częstotliwości (Ekers 2012 i jego odniesienia). W obecnej wersji SKA jest nadal potężną „maszyną HI”, która pozwoli nam zbadać, w jaki sposób galaktyki pozyskują i tracą gazowy wodór, jak przekształca się go w gwiazdy, jak jest powiązany z możliwą obecnością aktywnego jądra. i gęstość środowiska. Przełączając się z obecnych teleskopów na SKA1, będziemy mogli prowadzić tego typu obserwacje przez dużą część historii Wszechświata: będziemy mierzyć zawartość HI w setkach tysięcy galaktyk, aż do czasu realizacji około 5 -6 miliardów lat, podczas gdy przy obecnych teleskopach obserwacje są ograniczone do bardzo małej liczby obserwowanych galaktyk bogatych w gaz, co najwyżej około 2 do 2,5 miliarda lat temu (Staveley-Smith i Oosterloo 2015).

Pierwsze świecące obiekty

Na początku XXI wieku zaczęło się pojawiać kolejne wyjątkowe naukowe zastosowanie pomiarów SKA w HI: badanie kosmicznego świtu („Cosmic Dawn”) i epoki rejonizacji (Epoch Re-Jonization). Te fazy Wszechświata zaczęły się około 100 i 280 milionów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy po „ciemnych wiekach”, w których materia we Wszechświecie była całkowicie zdominowana przez obojętny wodór, zaczęły się pierwsze źródła (gwiazdy, galaktyki ...) kształtować. Te świecące obiekty były w stanie jonizować otaczający je gaz, ale są one niezwykle trudne do wykrycia, ponieważ ich emisja jest z natury słaba i pochłaniana przez otaczające środowisko. SKA będzie w stanie odwzorować strukturę gazu HI, w którym powstają te źródła, którego dystrybucję charakteryzować będą puste przestrzenie: pęcherzyki zjonizowanego materiału otaczające świecące obiekty. Te pomiary, które wymagają wyjątkowej czułości i umiejętności oddzielenia sygnału od wszelkiego rodzaju emisji pierwszoplanowych, są niezwykle trudne. Jednak stawka jest wysoka i jest zdecydowanie warta zainwestowania czasu teleskopu i znacznych zasobów, ponieważ astronomowie będą mieli w ten sposób wyjątkowy dostęp do faz historii Wszechświata, podczas których bardzo pierwotne struktury obserwowane na kosmicznym tle mikrofalowym przez inne teleskopy podobnie jak Planck przekształciły się we wszystkie różnorodne źródła, które obserwujemy w bardziej lokalnym Wszechświecie (Koopmans et al. 2015).

Czas pulsarów

Trzecim ważnym przypadkiem naukowym projektu SKA jest badanie pulsarów .

Te silnie namagnesowane gwiazdy neutronowe emitują promieniowanie radiowe, które jest wykrywane jako impuls za każdym razem, gdy wiązka przekracza naszą linię wzroku. Pulsar jest więc „kosmiczną latarnią morską”, której światło włącza się i wyłącza ze stałym i niezwykle krótkim okresem (obserwowane wartości wahają się od 1,4 ms do mniej niż 10 sekund).

Z czasem znaczenie badań pulsarowych zyskało na znaczeniu. Pierwszym powodem jest to, że są to prawdziwe laboratoria fizyczne w ekstremalnych warunkach, bardzo dalekich od tego, co możemy osiągnąć na Ziemi, z bardzo silnymi polami grawitacyjnymi, gęstością materii wyższą niż gęstość jądrowa i polami magnetycznymi. Drugim powodem, którego znaczenie jest w pełni widoczne dzisiaj po pierwszym bezpośrednim wykryciu fal grawitacyjnych przez współpracę naukową LIGO i Virgo w 2015 i 2016 r., Jest to, że sieć pulsarów może być używana jako gigantyczny detektor fal grawitacyjnych . Impulsy tych gwiazd neutronowych są niezwykle regularne (ich stabilność może sięgać 10-16 ). Oznacza to, że nawet niewielkie zakłócenia w ramach czasoprzestrzennych, takie jak powstałe w wyniku propagacji fali grawitacyjnej, można wykryć za pomocą pomiarów odległości pulsara. Kiedy propagują się przez sieć pulsarów, te fale grawitacyjne mogą rzeczywiście zwiększyć naszą odległość od jednej z tych gwiazd neutronowych i zmniejszyć odległość od innych, zwiększając w ten sposób lub nieznacznie zmniejszając czas przebywania impulsu. Aby wykryć propagację fal grawitacyjnych w kosmosie, można zatem zastosować niezwykle precyzyjne pomiary czasów nadejścia impulsów.

Kosmiczne pola magnetyczne

SKA będzie również unikalnym instrumentem do badania pól magnetycznych we wszelkiego rodzaju źródłach, w skalach przestrzennych od kilku milionów kilometrów (koronalne wyrzuty masy w Słońcu) do dziesiątek Mpc (10 21 km, 1 parsek (pc) odpowiadających do 3 10 13 km) dla kosmicznych włókien, które łączą galaktyki i gromady galaktyk we Wszechświecie. Badanie to zostanie przeprowadzone głównie za pomocą pomiaru rotacji Faradaya (RM). W bardzo uproszczony sposób, sygnał synchrotronowy ze źródeł radiowych jest spolaryzowany liniowo, a jego kierunek polaryzacji obraca się, gdy przechodzi przez namagnesowaną plazmę pierwszego planu, zanim dotrze do naszych teleskopów na Ziemi. Rotacja ta zależy od kwadratu obserwowanej długości fali i wielkości („miara rotacji”, RM), która zależy od natężenia przecinającego się pola magnetycznego. Jeśli więc potrafimy wykryć dużą liczbę źródeł radiowych w tle, obserwacje na wielu długościach fal pozwolą nam zrekonstruować trójwymiarową strukturę pierwszego planu pola magnetycznego. Ogromną zaletą SKA nad najlepszymi obecnie radioteleskopami jest to, że zwiększy liczbę źródeł radiowych z pomiarem RM z 40 000 do kilku milionów (Johnston-Hollitt et al. 2015).

Inne cele naukowe

Chociaż są to główne dziedziny, w których SKA umożliwi naukę o transformacji, którą można osiągnąć tylko za pomocą tego instrumentu, inne sektory astrofizyczne odniosą ogromne korzyści. Ewolucji galaktyk podejmie się nie tylko poprzez badania linii HI, ale także poprzez analizę rozproszonej emisji radiowej, która jest potężnym znacznikiem aktywnych galaktyk , niezależnie od tego, czy są to formacje gwiazd, czy obecność centralnej czarnej dziury. W obu przypadkach wykrywamy ciągłe promieniowanie synchrotronowe, związane z obecnością relatywistycznych elektronów i pól magnetycznych. W aktywnych galaktykach gwiazdotwórczych wybuchy supernowych są odpowiedzialne za przyspieszanie promieni kosmicznych, podczas gdy w galaktykach z aktywnym jądrem (AGN) relatywistyczna plazma jest wyrzucana ze zwartego centralnego jądra, w którym znajduje się czarna dziura. Dzięki obserwacjom radiowym możemy więc odkrywać pola magnetyczne wewnątrz galaktyk, badać powstawanie gwiazd od naszej Drogi Mlecznej do galaktyk o dużym przesunięciu widmowym (<4), ale także analizować rolę czarnych dziur w ewolucji galaktyk do kosmologicznej odległości (Prandoni i Seymour 2015; Umana i in. 2015).

W bardzo lokalnym Wszechświecie jednym z najbardziej ekscytujących przypadków naukowych SKA, gdzie będzie on uzupełniał inne instrumenty, jest tak zwana „kolebka życia”. SKA powinien być w stanie badać dyski protoplanetarne wokół młodych gwiazd, chemię organiczną ziemskich planet podobnych do Ziemi, a nawet wykrywać oznaki możliwego istnienia pozaziemskiego życia na planetach w sąsiednich układach słonecznych (eksperyment Poszukiwanie inteligencji pozaziemskiej ( SETI )).

Nowe odkrycia naukowe, a także rozwój technologiczny, znacznie poszerzyły ambicje naukowe SKA, które będą dotyczyły otwartych kwestii obejmujących różne dziedziny astronomii i fizyki, w szerokim zakresie skal i znacznej części historii Wszechświata. .

Charakterystyka techniczna

W części niskoczęstotliwościowej (od 50 do 350 MHz) teleskop będzie składał się z setek tysięcy anten elementarnych (takich jak dipole czy elementy okresowe logarytmiczne), które zostaną umieszczone w setkach stacji o średnicy kilku metrów. . Sygnał ze wszystkich elementów stacji zostanie połączony cyfrowo, a wszystkie stacje będą współpracować w celu utworzenia sieci interferometrycznej . Separacja między stacjami będzie wynosić od kilkudziesięciu metrów w strefie centralnej do kilkudziesięciu, a nawet kilkuset kilometrów w strefie zewnętrznej. Ta część teleskopu o niskiej częstotliwości zostanie zbudowana na pustyni Murchison w Australii Zachodniej.

Na najwyższych częstotliwościach obsługiwanych przez SKA (powyżej 350 MHz) sieć będzie składać się z setek naczyń o średnicy 15 m, początkowo na pustyni Karoo w RPA (około 500 km na północ od Kapsztadu), a następnie rozprzestrzeniona na inne państwa z Afryka Środkowa do Afryki Północnej, z maksymalnymi liniami podstawowymi wynoszącymi setki, a nawet tysiące kilometrów. Planowane są dalsze postępy techniczne w zakresie częstotliwości pośrednich SKA.

Liczby te dają wyobrażenie o tym, dlaczego SKA jest uważany za projekt „Big Data”. Od pierwszej fazy projektu (SKA1) te bardzo liczne elementy generują olbrzymią szybkość transmisji danych: kilka terabajtów na sekundę. Nawet po przetworzeniu danych ilość danych zarchiwizowanych do ich astronomicznego wykorzystania będzie rzędu od 50 do 300 petabajtów rocznie. Przetwarzanie i przechowywanie danych na początku lat dwudziestych XX wieku będzie wymagało superkomputerów, które będą około 10 razy mocniejsze niż najszybsze obecnie dostępne maszyny.

Według Berniego Fanaroffa (dyrektora projektu w RPA) czułość tej sieci radioteleskopów będzie taka, że ​​„osoba, która użyłaby SKA w kierunku Ziemi od gwiazdy znajdującej się 50 lat świetlnych od nas, byłaby potrafi je wszystkie wykryć. radary lotniskowe i nadajniki telewizyjne na całym świecie ”.

Stan budowy

Elementy techniczne SKA1

Podobnie jak w przypadku większości dużych projektów naukowych, projekt SKA został podzielony na kilka pakietów roboczych (WP) zarządzanych przez międzynarodowe konsorcja odpowiedzialne za poszczególne elementy końcowego obserwatorium.

Konsorcja te powstały po 2013 roku, kiedy SKAO wysłał zaproszenie do składania wniosków do wszystkich potencjalnie zainteresowanych instytutów badawczych i partnerów przemysłowych. Organizacja lub jednostka wiodąca dla wszystkich propozycji musiała znajdować się w kraju członkowskim organizacji SKA; nie nałożono żadnych ograniczeń na pozostałych partnerów propozycji ani na podwykonawców.

Chociaż Zarząd SKA i SKAO odegrały kluczową rolę w wyborze i koordynacji konsorcjów, te ostatnie działają niezależnie i są w pełni odpowiedzialne za finansowanie swojej pracy.

SKAO zdefiniowało jedenaście WP, które są wymienione poniżej, pogrupowane w dwie główne grupy. Należy zauważyć, że z kilkoma wyjątkami nazwa każdego konsorcjum jest taka sama, jak nazwa odpowiedniego pakietu roboczego.