Кіріспе
Австралия мен Оңтүстік Африкада салынып жатқан радиотелескоп. Квадратты километрлік массив (SKA) – Австралияда (төмен жиілікте) және Оңтүстік Африкада (орта жиілікте) салынып жатқан үкіметаралық халықаралық радиотелескоп жобасы. Бірлескен инфрақұрылым, Квадратты километрлік массив обсерваториясы (SKAO) және бас кеңсесі Ұлыбританиядағы Джодрелл Банкі обсерваториясында орналасқан. SKA ядролары Оңтүстік жарты шарда салынып жатыр, себебі осы аймақта Құс жолы галактикасын ең жақсы көруге болады және радиокедергілердің деңгейі ең төмен. 1990 жылдары ұсынылған, кейін 2010 жылдардың соңына қарай дамытылып, жобаланған бұл кешен аяқталғанда шамамен бір шаршы километрлік жинау алақанына ие болады. Ол кең жиілік диапазонында жұмыс істейтін болады және оның мөлшері кез келген басқа радио құралынан 50 есе сезімталдығымен ерекшеленеді. Жоспарланғандай салынса, аспанды бұрынғыдан 10 мың есе жылдам зерттеуге мүмкіндік береді. Қабылдау станциялары шоғырланған орталық ядродан кеміндегі қашықтыққа дейін созылатын болады, бұл радиоастрономияның барлық астрономия саласындағы ең жоғары ажыратымдылықта суреттер беру мүмкіндігін пайдаланады. SKAO консорциумы 2019 жылдың наурызында Римде жеті бастапқы мүше елдің қатысуымен құрылды, содан кейін тағы бірнеше ел қосылды; 2021 жылға қарай консорциумда 14 мүше болды. Бұл халықаралық ұйым құрылыс және пайдалану жұмыстарын жүзеге асыруға жауапты. Жобаның екі құрылыс кезеңі бар: қазіргі SKA1, көбінесе жай ғана SKA деп аталады, және болашақта айтарлықтай кеңейтілуі мүмкін SKA2. Жобаның құрылыс кезеңі 2022 жылдың 5 желтоқсанында Оңтүстік Африка мен Австралияда бірдей басталды.
The Square Kilometre Array (SKA) is an intergovernmental international radio telescope project being built in Australia (low frequency) and South Africa (mid frequency). The combining infrastructure, the Square Kilometre Array Observatory (SKAO), and headquarters, are located at the Jodrell Bank Observatory in the United Kingdom. The SKA cores are being built in the southern hemisphere, where the view of the Milky Way galaxy is the best and radio interference is at its least. Conceived in the 1990s, and further developed and designed by the late 2010s, when completed a total collecting area of approximately one square kilometre. It will operate over a wide range of frequencies and its size will make it 50 times more sensitive than any other radio instrument. If built as planned, it should be able to survey the sky more than ten thousand times faster than before. With receiving stations extending out to a distance of at least from a concentrated central core, it will exploit radio astronomy's ability to provide the highest resolution images in all astronomy. The SKAO consortium was founded in Rome in March 2019 by seven initial member countries, with several others subsequently joining; as of 2021 there were 14 members of the consortium. This international organisation is tasked with building and operating the facility. The project has two phases of construction: the current SKA1, commonly just called SKA, and a possible later significantly enlarged phase sometimes called SKA2. The construction phase of the project began on 5 December 2022 in both South Africa and Australia.
Тарих
Квадратты километрлік массив (SKA) 1991 жылы тұжырымдалған, ал 1993 жылы халықаралық жұмыс тобы құрылды. Бұл 2000 жылы алғашқы келісім шартына қол қоюға әкелді. Жоспарлаудың басында Қытай SKA-ны қабылдауға үміттенді, өзінің оңтүстік-батыс провинцияларын толқындаған табиғи әктас қыш тұңғиықтарында (карст) бірнеше ірі антенналар салуды ұсынды. Қытай өз ұсынысын «Километрлік квадраттық аймақтың радиосинтездік телескопы» (KARST) деп атады. Австралиядағы алғашқы радио тыныш аймақ 2005 жылдың 11 сәуірінде Австралияның Коммуникация және Медиа органымен құрылды, бұл Мурчисон радиоастрономиялық обсерваториясындағы негізгі австралиялық SKA сайтының қазіргі «радио тыныштығын» қорғау және сақтау үшін жасалды. Жобаның құрылысы екі кезеңнен тұрады: қазіргі SKA1, көбінесе SKA деп аталады, және кейінірек, әлдеқайда кеңейтілген, кейде SKA2 деп аталатын кезең. PrepSKA 2008 жылы басталды, нәтижесінде 2012 жылы толық SKA жобасы жасалды. 1-ші кезеңнің құрылысы, 2-ші кезеңмен бірге, 2011 жылдың сәуір айында Манчестер университетінің Чеширдегі Джодрелл Банк обсерваториясы жобаның бас кеңсесі болып жарияланды және жоба ынтымақтастықтан тәуелсіз, коммерциялық емес компанияға айналды. 2012 жылдың ақпанында Австралияның бұрынғы SKA комитетінің төрағасы Оңтүстік Африка БАҚ-ына Австралияның кандидаттық алаңындағы тәуекелдер туралы алаңдаушылық білдірді, әсіресе құны, кенге қатысты кедергілер және жер келісімдері тұрғысынан. SKA Australia барлық мәселелерді жерді ұсынуда қарастырылғанын мәлімдеді. 2012 жылдың наурыз айында SKA сайтының кеңесші комитетінің Оңтүстік Африканың ұсынысы күштірек екенін көрсеткен құпия есеп бергені хабарланды. Алайда, екі кандидат аймақтың іске асыру мүмкіндіктерін зерттеу үшін ғылыми жұмыс тобы құрылды және 2012 жылдың 25 мамырында SKA Оңтүстік Африка және Африка, сондай-ақ Австралия және Жаңа Зеландия сайттарында бөлінетіні жарияланды. Жаңа Зеландия 2014 жылы SKA ұйымының мүшесі болғанмен, Жаңа Зеландияда SKA инфрақұрылымының орналасуы күмәнді болды. 2015 жылдың сәуірінде SKA жобасының штаб-пәтері Ұлыбританиядағы Джодрелл Банк обсерваториясында орналасады деп шешілді және ол 2019 жылдың шілдесінде ресми түрде ашылды. Алғашқы құрылыс келісімшарттары 2018 жылы басталды. Толық аяқталған массивпен ғылыми байқаулар 2019 жылдың 12 наурызында Римде жеті бастапқы мүше елдер: Австралия, Қытай, Италия, Нидерланды, Португалия, Оңтүстік Африка және Ұлыбританиямен құрылған Квадратты километрлік массив обсерваториясы (SKAO) құрылды. Үндістан мен Швеция да жақын арада қосылуы күтілуде, ал тағы сегіз ел болашақта қосылуға қызығушылық танытты. Бұл халықаралық ұйым құрылыс және пайдалану міндеттерін атқаруға бекітілді, ал алғашқы құрылыс келісімшарттары 2019 жылдың ортасына қарай ғылыми байқаулардың 2027 жылдан бұрын басталмайтыны күтілуде. 2020 жылдың қараша айына дейін бес алдын ала орналастырылған нысан жұмыс істеп тұрды: Оңтүстік Африкадағы MeerKAT және Сутегінің қайта иондану дәуірінің массиві (HERA), Батыс Австралиядағы Австралияның SKA жол көрсетушісі (ASKAP) және Мурчисон кең далалық массиві (MWA), сондай-ақ Нидерландыдағы ядросы орналасқан Еуропаға тараған Халықаралық LOFAR телескопы. Жобаның құрылыс кезеңі 2022 жылдың 5 желтоқсанында Австралия мен Оңтүстік Африкада басталды, жобаны басқаратын сегіз елдің өкілдері осы оқиғаны тойлауға қатысты. Жобаның австралиялық бөлігі 100 000 антеннадан тұрады, олар Мурчисон аймағында, Уаджарри аборигендерінің дәстүрлі жерлерінде орналасқан. Бұл жерге Inyarrimanha Ilgari Bundara деп ат қойылды, ол Уаджарри тілінде «толқынды жер» дегенді білдіреді. Үндістанның Атом энергиясы департаменті (DAE) және Ұлыбританияның Ғылыми-зерттеу және инновациялар кеңесі (UKRI) «Квадратты километрлік массив» радиотелескопынан алынған деректерді өңдеу үшін суперкомпьютерлік құрылғыларды құру мүмкіндігін зерттеп жатыр. Ұлыбритания мен Үндістан SKA радиотелескопының есептеу процесін әзірлейтін команданың құрамына кіреді. 2024 жылдың 3 қаңтарында Үндістан үкіметі 1,250 крор рупилік қаржылық міндеттемемен бірге SKA жобасына қосылуға келісім берді, бұл мүше мемлекет ретінде ратификацияға жасалған алғашқы қадамды білдіреді.
In April 2011, Jodrell Bank Observatory of the University of Manchester, in Cheshire, England was announced as the location for the project headquarters. and the project moved from a collaboration to an independent, not for profit, company. In February 2012, a former Australian SKA Committee chairman raised concerns with South African media about risks at the Australian candidate site, particularly in terms of cost, mining interference and land agreements. SKA Australia stated that all points had been addressed in the site bid. In March 2012 it was reported that the SKA Site Advisory Committee had made a confidential report in February that the South African bid was stronger. However a scientific working group was set up to explore possible implementation options of the two candidate host regions, and on 25 May 2012 it was announced that it had been determined that the SKA would be split over the South African and African sites, and the Australia and New Zealand sites. While New Zealand remained a member of the SKA Organisation in 2014, it appeared that no SKA infrastructure was likely to be located in New Zealand. In April 2015, the headquarters of the SKA project were chosen to be located at the Jodrell Bank Observatory in the UK, officially opened in July 2019. Initial construction contracts began in 2018. Scientific observations with the fully completed array
On 12 March 2019, the Square Kilometre Array Observatory (SKAO) was founded in Rome by seven initial member countries: Australia, China, Italy, the Netherlands, Portugal, South Africa and the United Kingdom. India and Sweden are expected to follow shortly, and eight other countries have expressed interest to join in the future. This international organisation was tasked with building and operating the facility, with the first construction contracts
By mid 2019, the start of scientific observations were expected to start no earlier than 2027.
as of November 2020, five precursor facilities were already operating: MeerKAT and the Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) in South Africa, the Australian SKA Pathfinder (ASKAP) and Murchison Widefield Array (MWA) in Western Australia and the Interrnational LOFAR Telescope, spread across Europe with a core in the Netherlands. The construction phase of the project began on 5 December 2022 in Australia and South Africa, with delegations from each of the eight countries leading the project attending ceremonies to celebrate the event. The Australian part of the project comprises 100,000 antennas built across , also in the Murchison region, in the traditional lands of the Wajarri Aboriginal people. Bulldozers The site has been named Inyarrimanha Ilgari Bundara, which means in the Wajarri language. The Department of Atomic Energy (DAE) in India and UK Research and Innovation (UKRI) are investigating the possibility of establishing supercomputing facilities to handle data from the Square Kilometre Array radio telescope. The UK and India are part of the team developing the computational processing for the SKA radio telescope. On 3 January 2024, Indian government approved joining the SKA project accompanied by a financial commitment of ₹1,250 crore which marks the initial step towards ratification as a member state.
Оңтүстік Африка
Негізгі нысан Мерекат ұлттық паркінде, шамамен 1000 метр биіктікте, құрғақ Солтүстік Кейп провинциясының Кару аймағында орналасқан. Ботсвана, Гана, Кения, Мадагаскар, Маврикий, Мозамбик, Намибия және Замбияда да қашықтан орналасқан станциялар бар.
Австралиялық SKA Pathfinder (ASKAP)
Австралиялық SKA Pathfinder, немесе ASKAP – 100 миллион австралиялық доллары көлеміндегі жоба, ол отыз алты 12 метрлік тарелкадан тұратын телескоптар массивін салған. Ол 30 шаршы градус көріс бұрышын қамтамасыз ету үшін фазалық массивтік антенналар сияқты жетілдірілген, инновациялық технологияларды пайдаланады. ASKAP Батыс Австралияның орталық-батыс аймағындағы Буларди маңында орналасқан Мурчисон радиоастрономиялық обсерваториясында CSIRO құрылысын жүзеге асырды. Барлық 36 антенна және олардың техникалық жүйелері 2012 жылдың қазан айында ресми түрде пайдалануға берілді.
MeerKAT
MeerKAT – Оңтүстік Африка жобасы, әлемдік деңгейдегі ғылыми құрал ретінде диаметрі 13,5 метр болатын алпыс төрт табақтан тұрады, сонымен қатар SKA үшін технологияны дамытуға көмектесу үшін салынды. MeerKAT үшін жеті табақтық инженерлік және ғылыми сынақ құралы KAT 7, Оңтүстік Африканың Солтүстік Кейп провинциясындағы Карнарвон қаласының жанындағы Meerkat ұлттық паркінде 2012 жылы іске қосылды және барлық алпыс төрт 13,5 метр диаметрлі (44,3 фут) табақ антенналары 2018 жылдың мамырына дейін аяқталды, содан кейін құралдардың дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін тексеру сынақтары жүргізілді. Табақтар 580 МГц-ден 14 ГГц-ке дейінгі жиіліктерді қамту үшін жоғары өнімді бір пикселдік жетектірулермен жабдықталған.
Мурчисон кең өрістік матрицасы (MWA)
Мурчисон кең далалық массиві – Батыс Австралиядағы Мурчисон радиоастрономиялық обсерваториясында 2018 жылы жаңартылған, 80–300 МГц жиілік диапазонында жұмыс істейтін төмен жиілікті радио массив.
Реионизациялық массивтің сутегі эпохы (HERA)
HERA массиві Оңтүстік Африканың Миркат ұлттық паркінде орналасқан. Ол қайта иондану дәуірінен бұрын және оның кезінде пайда болған жоғары қызыл ығысқан атомдық сутегінің сәуле шығаруын зерттеу үшін жасалған.
Аллен телескопының массиві
Калифорниядағы Аллен телескопы 500 МГц-ден 11 ГГц-ке дейінгі жиіліктерді қамтитын кең жолақты жеке антенналармен жабдықталған 6,1 метрлік офсетті Грегориан тарелкаларын пайдаланады. 2017 жылға қарай жұмыс істей бастаған 42 элементтен тұратын массив 350 элементке дейін ұлғайтылатын болады. Тарелканың дизайны төмен құнмен өндіру әдістерін зерттеді.
LOFAR
Халықаралық LOFAR телескопы — 150 миллион еуроға жуық қаражатпен Нидерланд жетекшілігімен жүзеге асырылған жоба — Солтүстік Еуропаға тараған жаңашыл төмен жиілікті фазалық антенналық массив. 10-нан 240 МГц-ге дейінгі төмен жиіліктерді қамтитын толық электрондық телескоп 2009-2011 жылдары іске қосылды. 2017 жылы LOFAR SKA үшін маңызды өңдеу техникаларын жетілдіріп жатты. 2000 км-ге дейінгі базалық сызықтарының арқасында, ол кең көріс бұрышында суб-доғалық бұрыштық ажыратымдылықпен суреттер түзе алады. Мұндай төмен жиілікті жоғары ажыратымдылықты бейнелеу ерекше және SKA1 LOW-тан он есе артық.
Деректермен жұмыс істеу
Жиналған сенсорлық деректердің мөлшері зор сақтау мәселесін тудырады, ал шикі деректерді маңызды туынды ақпаратқа дейін азайту үшін нақты уақыт сигналды өңдеу қажет. 2011 жылдың ортасында массив күніне бір эксабайт шикі дерек шығара алады деп есептелді, оны шамамен 10 петабайтқа дейін жиыруға болады. Жобаның негізін қалаушы мүшесі Қытай өңірлік деректерді өңдеу орталығының алғашқы прототипін жобалап, құрастырды. Шанхай астрономиялық обсерваториясының SKA тобының басшысы Ан Тао: «Бұл бүкіл әлемдік интернет трафигінен әлдеқайда көп дерек ағынын тудырады» деді. 2016 жылы бағдарламалық құралды оқыту үшін Tianhe 2 суперкомпьютері қолданылды. Жобаның өңдеуі Xilinx компаниясының қытайлық дизайндағы және өндірілісіндегі Virtex 7 процессорларында жүзеге асырылады, олар CSIRO платформаларына енгізіледі. Қытай біріктірілген сәулелендіру дизайнын ұсынды, нәтижесінде басқа ірі елдер жобадан бас тартты. Канада Altera Stratix 10 процессорларын (Intel компаниясы) пайдалануын жалғастыруда. АҚШ-тың эмбаргосы салдарынан ешбір АҚШ компаниясы жоғары сапалы Intel FPGA немесе кез келген байланысты CSP дизайн егжей-тегжейлерін немесе микрокодты Қытайға экспорттауға құқығы жоқ, бұл ынтымақтастыққа елеулі шектеулер қояды.
Технологияны дамыту жобасы (TDP)
Технологияны дамыту жобасы, немесе TDP, – SKA үшін ыдыс және таратқыш технологиясын әзірлеуге бағытталған 12 миллион долларлық жоба. Оны университеттер консорциумы жүзеге асырды және 2012 жылы аяқталды.
Жоба тәуекелдері мен қарсылық
Оңтүстік Африкадағы басымды астрономиялық орындарға қатысты ықтимал тәуекелдер 2007 жылғы «Астрономиялық географиялық артықшылық туралы» заңмен қорғалады. Оңтүстік Африканың SKA үсынымын қолдау мақсатында қабылданған бұл заң, негізгі астрономиялық құралдардың ғылыми жұмысына кедеріс келтіруі мүмкін кез келген қызметті тыйымдайды. 2010 жылы Royal Dutch Shell компаниясы гидравликалық жарылыс әдісімен Кару аймағында тақтатас газын іздеуге өтініш білдірген кезде, осы заңның күшіне енгізілуіне қатысты алаңдаушылықтар туды, себебі бұл әрекет аталған аймақтағы радиокедергілерді күшейте түсуі мүмкін еді. Оңтүстік Африка массиві үшін Мозамбикте анықталған қашық орналасқан станция су тасқынына ұшырап, жобадан шығарылды. Бірақ SKA орын таңдау комитетінің техникалық талдауы Африкадағы барлық қашық станциялар су тасқынының алдын алу шараларын іске асыра алатынын көрсетті. 2014 жылы Оңтүстік Африка Ұлттық металл жұмысшылар одағының (NUMSA) бір айлық ереуілі ыдыстарды орнату жұмыстарын кешіктірді. Жобаның ең үлкен тәуекелі – оның бюджеті, ол 2014 жылға дейін бекітілмеген болатын. Жоба басталғаннан бері Оңтүстік Африкадағы фермерлер, кәсіпкерлер және жеке тұлғалар оған қарсылық білдірді. «Каруды сақтау» атты жақтас топ радио тыныш аймақтың жұмыссыздық деңгейі 32%-дан асып кеткен Оңтүстік Африка аймағында жұмыссыздықты одан әрі арттыратынын мәлімдеді. Фермерлер егер жерлерін сатуға мәжбүр болса, Карудағы ауыл шаруашылығына негізделген экономиканың құлдырап кететінін айтты.
Негізгі жобалар
SKA мүмкіндіктері астрофизика, фундаменталды физика, космология және бөлшектер астрофизикасы саласындағы көптеген сұрақтарға жауап беруге, сондай-ақ байқалатын ғаламның шегін кеңейтуге бағытталған болады. SKA арқылы іске асырылатын бірқатар маңызды ғылыми жобалар төменде тізілген.
Жалпы салыстырмалылық теориясының экстремалды сынақтары
Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы шамамен жүз жыл бойы оны тексеру үшін жасалған барлық эксперименттердің нәтижелерін дәл болжады. Осы тесттердің көпшілігі, тіпті ең қатаңдары радиоастрономиялық өлшемдер арқылы жүзеге асырылды. Пульсарларды ғарыштық гравитациялық толқындарды анықтағыш ретінде пайдалану арқылы, немесе қара тесіктердің айналысында табылған пульсарлардың уақытын өлшеу арқылы, астрономдар жалпы салыстырмалылық теориясының шектерін, мысалы, өте қисық кеңістіктегі кеңістік-уақыттың қалай өзгеретінін зерттей алады. Мақсаты – Эйнштейннің кеңістік, уақыт және гравитация туралы сипаттамасының дұрыс екенін анықтау, немесе осы құбылыстарды түсіндіру үшін жалпы салыстырмалылық теориясына альтернатив қажет екенін білу.
Галактикалар, космология, қараңғы материя және қараңғы энергия
21 см сутегі сызығындағы SKA-ның сезімталдығы, байқауға болатын Ғаламның шетіне дейін миллиардтаған галактикаларды картаға түсіреді. Осылайша ашылған Ғаламның ірі масштабты құрылымы, галактикалардың қалыптасуы мен эволюциясына жауапты процестерді анықтауға мүмкіндік беретін шектеулерді ұсынады. Ғалам бойынша сутегінің бейнеленуі, жеке галактикалар мен шоғырларды құрайтын алғашқы құрылымдық толқындардың үш өлшемді суретін қамтамасыз етеді. Бұл, сондай-ақ, қара энергияның гипотетикалық әсерін және Ғаламның кеңею жылдамдығының артуын өлшеуге де мүмкіндік береді. SKA галактикалық зерттеулерінің нәтижесінде жүзеге асырылатын космологиялық өлшемдер, қара энергия, гравитация, алғашқы Ғалам және негізгі космология модельдерін тексеруді қамтиды және олар онлайн қолжетімді бірқатар мақалаларда баяндалған.
Қайта иондау дәуірі
SKA деп аталатын қараңғы дәуір (Ұлы жарылыстан кейін 300 000 жыл өткенде, ғалам сутегінің бейтарап күйге түсуі және сәулеленуден бөлінуі үшін жеткілікті салқындаған кезде) мен алғашқы жарық кезеңінен (бір миллиард жыл өткен соң, жас галактикалар алғаш рет пайда болып, сутегі қайта иондалатын кезде) байқау деректерін алуға арналған. Газдың бастапқы таралуын байқау арқылы SKA ғаламның жұлдыздар мен галактикалар қалай пайда болып, одан әрі қалай дамығанын көре алады. Осы қараңғы дәуір, алғашқы жарықпен аяқталып, ғарыштық жаратылыс тарихының бірінші тарауы саналады. Осы құбылысты көруге қажетті ажыратымдылық Квадратты километрлік массивтің құрылымының негізгі себебі болып табылады. Алғашқы жарыққа дейін көру үшін қазіргі әлемдегі ең ірі радиотелескоптардан 100 есе күшті телескоп қажет, оның жинау алақаны 1 миллион шаршы метр, яғни бір шаршы километрді құрайды.
Космикалық магнетизм
Космикалық магнит өрістерінің пайда болуы мен эволюциясы туралы негізгі сұрақтарға әлі де жауап беру мүмкін емес, бірақ олардың жұлдызаралық және галактикааралық кеңістіктің маңызды құрамдас бөлігі екені анық. Өте алыс галактикалардан келетін сәулеленуге магнетизмнің әсерін картаға түсіру арқылы SKA ғарыштық магнетизмнің нысанын және оның дамитын Әлемде атқарған рөлін зерттейді.
Жерден тыс тіршілік иелерін іздеу
"Өмірдің Бесігі" деп аталатын бұл маңызды ғылыми бағдарлама үш мақсатқа негізделген: мекен ету аймақтарындағы протопланеталық дискілерді бақылау, тіршілікке дейінгі химияны іздеу және сыртқы әлемдегі интеллектіні іздеуге (SETI) үлес қосу. SKA Күн сияқты протожұлдыздардың мекен ету аймағын зерттеуге қабілетті, онда Жер сияқты планеталар немесе серіктер тіршілік дамуына қолайлы жағдайға ие болуы мүмкін. Жұлдыздардың шаңындағы Жер сияқты планеталардың қалыптасу белгілері олардың болуы мен эволюциясының ең айқын куәсі болуы мүмкін. Астробиологтар SKA-ны сыртқы кеңістіктегі күрделі органикалық қосылыстарды (көміртегі бар химиялық заттарды) іздеу үшін, оның ішінде аминқышқылдарын, белгілі бір жиіліктердегі спектрлік сызықтарды анықтау арқылы пайдаланады.
Astrobiologists will also use the SKA to search for complex organic compounds (carbon containing chemicals) in outer space, including amino acids, by identifying spectral lines at specific frequencies.