Введение

Радиотелескоп, строящийся в Австралии и Южной Африке

Радиотелескоп квадратного километра (Square Kilometre Array, SKA) – межправительственный международный проект радиотелескопа, строящийся в Австралии (для низких частот) и Южной Африке (для средних частот). Объединяющая инфраструктура, обсерватория Square Kilometre Array Observatory (SKAO) и штаб-квартира расположены в обсерватории Jodrell Bank в Соединенном Королевстве. Основные части SKA строятся в южном полушарии, где наилучший обзор галактики Млечный Путь и минимальные радиопомехи. Проект был задуман в 1990-х годах и разработан к концу 2010-х годов. После завершения он будет обладать общей собирающей площадью около одного квадратного километра. Он будет работать в широком диапазоне частот, а его размер обеспечит чувствительность в 50 раз выше, чем у любого другого радиотелескопа. Если проект будет реализован в полном объеме, он сможет сканировать небо в более чем десять тысяч раз быстрее, чем сейчас. Благодаря приемным станциям, расположенным на расстоянии не менее от концентрированного центрального ядра, он позволит использовать возможности радиоастрономии для получения изображений с наивысшим разрешением во всей астрономии. Консорциум SKAO был основан в Риме в марте 2019 года семью странами-основателями, к которым впоследствии присоединились другие; по состоянию на 2021 год в консорциум входило 14 стран-членов. Эта международная организация отвечает за строительство и эксплуатацию этого объекта. Проект состоит из двух этапов строительства: текущего SKA1, который обычно называют просто SKA, и возможного последующего значительно расширенного этапа, иногда называемого SKA2. Строительный этап проекта начался 5 декабря 2022 года одновременно в Южной Африке и Австралии.

История

План "Квадратный километр" (SKA) был первоначально задуман в 1991 году, а международная рабочая группа была создана в 1993 году. Это привело к подписанию первого меморандума о соглашении в 2000 году. На ранних этапах планирования Китай претендовал на право размещения SKA, предлагая построить несколько крупных антенн в естественных известняковых карстовых впадинах юго-западных провинций; китайское предложение называлось Радиосинтезирующим телескопом площадью в квадратный километр (KARST). Первая радиотихая зона в Австралии была учреждена Австралийским управлением по коммуникациям и средствам массовой информации 11 апреля 2005 года специально для защиты и поддержания текущей "радиотишины" основной австралийской площадки SKA в Радиоастрономической обсерватории Мурчисона. Проект состоит из двух этапов строительства: текущий SKA1, обычно называемый просто SKA, и возможный последующий значительно расширенный этап, иногда называемый SKA2. Подготовительные работы к SKA (PrepSKA) начались в 2008 году и привели к завершению проектирования SKA в 2012 году. Строительство Фазы 1, обеспечивающей создание действующей антенной решетки, с последующей Фазой 2.

В апреле 2011 года обсерватория Jodrell Bank при Университете Манчестера в Чешире, Англия, была объявлена местом расположения штаб-квартиры проекта, и проект перешел от сотрудничества к независимой некоммерческой компании. В феврале 2012 года бывший председатель Австралийского комитета SKA выразил обеспокоенность в южноафриканских СМИ по поводу рисков, связанных с австралийской площадкой, в частности, с точки зрения стоимости, помех от горнодобывающей деятельности и соглашений по землепользованию. SKA Australia заявила, что все эти вопросы были учтены в заявке на площадку. В марте 2012 года сообщалось, что Консультативный комитет по площадкам SKA в феврале подготовил конфиденциальный отчет, в котором отмечалось, что южноафриканская заявка более сильная. Однако была создана научная рабочая группа для изучения возможных вариантов реализации на двух площадках-кандидатах, и 25 мая 2012 года было объявлено, что SKA будет разделена между площадками в Южной Африке и Африке, а также в Австралии и Новой Зеландии. Хотя Новая Зеландия оставалась членом организации SKA в 2014 году, маловероятно, что какая-либо инфраструктура SKA будет расположена в Новой Зеландии. В апреле 2015 года штаб-квартира проекта SKA была выбрана для размещения в обсерватории Jodrell Bank в Великобритании, официальное открытие которой состоялось в июле 2019 года. Первоначальные строительные контракты были заключены в 2018 году. Научные наблюдения с полностью завершенной антенной решеткой.

12 марта 2019 года в Риме была основана Обсерватория "Квадратный километр" (SKAO) семью странами-основателями: Австралией, Китаем, Италией, Нидерландами, Португалией, Южной Африкой и Соединенным Королевством. Ожидается, что вскоре к ним присоединятся Индия и Швеция, а еще восемь стран выразили заинтересованность в будущем членстве. Эта международная организация получила задачу строить и эксплуатировать объект, с первыми строительными контрактами.

К середине 2019 года ожидалось, что начало научных наблюдений не произойдет раньше 2027 года.

По состоянию на ноябрь 2020 года уже работали пять предварительных установок: MeerKAT и Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) в Южной Африке, Австралийский SKA Pathfinder (ASKAP) и Murchison Widefield Array (MWA) в Западной Австралии, а также Международский телескоп LOFAR, расположенный по всей Европе с центром в Нидерландах. Строительная фаза проекта началась 5 декабря 2022 года в Австралии и Южной Африке, на церемониях празднования этого события присутствовали делегации из каждой из восьми стран, возглавляющих проект. Австралийская часть проекта включает в себя 100 000 антенн, построенных в регионе Мурчисона, на традиционных землях народа Ваджарри. Место было названо Inyarrimanha Ilgari Bundara, что на языке Ваджарри означает "священное место". Департамент атомной энергии (DAE) в Индии и UK Research and Innovation (UKRI) изучают возможность создания суперкомпьютерных мощностей для обработки данных с радиотелескопа "Квадратный километр". Великобритания и Индия входят в команду, разрабатывающую вычислительную обработку для радиотелескопа SKA. 3 января 2024 года правительство Индии одобрило присоединение к проекту SKA с финансовым обязательством в размере 1 250 крор рупий, что является первым шагом к ратификации членства в организации.

Южная Африка

Основная площадка расположена в Национальном парке Мееркат на высоте около 1000 метров в районе Кару в засушливой провинции Северный Кейп. Также имеются удаленные станции в Ботсване, Гане, Кении, Мадагаскаре, Маврикии, Мозамбике, Намибии и Замбии.

Австралийский SKA Pathfinder (ASKAP)

Австралийский SKA Pathfinder, или ASKAP, – это проект стоимостью 100 миллионов австралийских долларов, в рамках которого был создан радиотелеско́пный массив из тридцати шести двенадцатиметровых антенн. Он использует передовые инновационные технологии, такие как фазированные антенные решетки, для обеспечения широкого поля зрения (30 квадратных градусов). ASKAP был построен организацией CSIRO на территории Мурчисонской радиоастрономической обсерватории, расположенной вблизи Буларди в центрально-западном регионе Западной Австралии. Все 36 антенн и их технические системы были официально введены в эксплуатацию в октябре 2012 года.

MeerKAT

MeerKAT – это южноафриканский проект, состоящий из массива из шестидесяти четырех антенн диаметром 13,5 метра, представляющий собой научный инструмент мирового класса, и был также создан для разработки технологий для SKA. KAT 7, являясь инженерным и научным испытательным стендом для MeerKAT, состоящим из семи антенн, расположен в Национальном парке Мееркат недалеко от Карнарвона в провинции Северный Кейп Южной Африки. Он был введен в эксплуатацию в 2012 году и полностью развернут к маю 2018 года, когда были завершены все шестьдесят четыре антенны диаметром 13,5 метра (44,3 фута). После этого проводились верификационные испытания для обеспечения правильной работы приборов. Антенны оснащены рядом высокопроизводительных однопиксельных приемников для работы в диапазоне частот от 580 МГц до 14 ГГц.

Murchison Widefield Array (MWA) - массив широкого поля Мурчисона

Murchison Widefield Array — это низкочастотная радиоинтерферометрическая установка, работающая в диапазоне частот 80–300 МГц, которая начала работу в модернизированном режиме в 2018 году на территории радиоастрономической обсерватории Мурчисона в Западной Австралии.

Водородный эпох реионизации массива (HERA)

Массив HERA расположен в национальном парке Миркет в Южной Африке. Он разработан для изучения высококрасносмещенного излучения атомарного водорода, испущенного до и в эпоху реионизации.

Телескоп Аллена

Телескоп Аллена в Калифорнии использует инновационные 6,1-метровые офсетные григорианские антенны, оснащенные широкополосными одноканальными приемниками, охватывающими частоты от 500 МГц до 11 ГГц. Массив из 42 элементов, функционирующий к 2017 году, планируется расширить до 350 элементов. При разработке конструкции антенны изучались методы ее недорогого производства.

LOFAR

Международный телескоп LOFAR — проект под руководством Нидерландов стоимостью 150 миллионов евро — представляет собой инновационную низкочастотную фазированную антенную решетку, расположенную в Северной Европе. Это полностью электронный телескоп, охватывающий низкие частоты в диапазоне от 10 до 240 МГц, который начал работу в период с 2009 по 2011 год. В 2017 году LOFAR разрабатывал ключевые методы обработки данных для SKA. Благодаря базовым линиям протяженностью до 2000 км, он способен создавать изображения с угловым разрешением менее одной угловой секунды в широком поле зрения. Такая высокая точность формирования изображений на низких частотах является уникальной и превосходит возможности SKA1 LOW более чем на порядок.

Проблемы с данными

Количество собираемых сенсорных данных создает огромную проблему хранения и потребует обработки сигналов в реальном времени для преобразования исходных данных в релевантную производную информацию. В середине 2011 года оценивалось, что комплекс может генерировать эксабайт необработанных данных в день, которые можно сжать примерно до 10 петабайт. Китай, один из основателей проекта, спроектировал и построил первый прототип регионального центра обработки данных. Ан Тао, руководитель группы SKA Шанхайской астрономической обсерватории, заявил: «Он будет генерировать потоки данных, значительно превышающие общий объем интернет-трафика во всем мире». Суперкомпьютер Tianhe 2 использовался в 2016 году для обучения программного обеспечения. Обработка данных проекта будет выполняться на процессорах Virtex 7, разработанных и произведенных компанией Xilinx (китайского производства), интегрированных в платформы CSIRO. Китай продвигал идею унифицированной архитектуры формирования луча, что привело к выходу из проекта других крупных стран. Канада продолжает использовать процессоры Altera Stratix 10 (от Intel). В связи с американским эмбарго, которое серьезно ограничит сотрудничество, любой американской компании запрещено экспортировать в Китай высокопроизводительные FPGA Intel или любые связанные с ними детали проектирования или прошивки CSP.

Проект по развитию технологий (TDP)

Проект развития технологий, или TDP, — это проект стоимостью 12 миллионов долларов США, направленный на разработку технологий антенн и приемников для SKA. Он реализуется консорциумом университетов и был завершен в 2012 году.

Риски проекта и противодействие

Потенциальные риски для приоритетных астрономических объектов в Южной Африке защищены Законом об астрономических географических преимуществах 2007 года. Разработанный специально для поддержки заявки ЮАР на участие в проекте SKA, он запрещает любую деятельность, которая может угрожать научной работе основных астрономических инструментов. В 2010 году возникли опасения относительно готовности обеспечить соблюдение этого закона, когда компания Royal Dutch Shell подала заявку на разведку сланцевого газа в регионе Кару с использованием гидравлического разрыва пласта, что могло бы привести к увеличению радиопомех на площадке. Один из запланированных удаленных участков для южноафриканской части массива в Мозамбике подвергся затоплению и был исключен из проекта, несмотря на то, что технический анализ Комитета по выбору площадки SKA показал возможность реализации мер по смягчению последствий наводнений на всех африканских удаленных станциях. В 2014 году в Южной Африке прошла месячная забастовка, организованная Национальным профсоюзом металлургов (NUMSA), что привело к дальнейшим задержкам в установке антенн. Вероятно, наибольший риск для всего проекта связан с его бюджетом, который до 2014 года оставался не утвержденным. С момента начала проекта в Южной Африке фермеры, предприниматели и частные лица выражали свое несогласие с ним. Группа защиты интересов Save the Karoo заявила, что зона радиомолчания приведет к дальнейшему росту безработицы в южноафриканском регионе, где она уже превышает 32%. Фермеры утверждали, что сельскохозяйственная экономика региона Кару рухнет, если их заставят продать свои земли.

Основные проекты

Возможности SKA будут спроектированы для решения широкого круга вопросов в астрофизике, фундаментальной физике, космологии и физике частиц, а также для расширения границ наблюдаемой Вселенной. Ниже приведен список ключевых научных проектов, выбранных для реализации с помощью SKA.

Экстремальные испытания общей теории относительности

Почти сто лет общая теория относительности Альберта Эйнштейна с высокой точностью предсказывает результаты всех экспериментов, проведенных для её проверки. Большинство этих тестов, включая самые строгие, выполнялись с использованием радиоастрономических измерений. Используя пульсары как космические детекторы гравитационных волн или, изучая пульсары, находящиеся на орбите чёрных дыр, астрономы смогут исследовать границы применимости общей теории относительности, например, поведение пространства-времени в областях с экстремально искривлённым пространством. Цель состоит в том, чтобы установить, был ли Эйнштейн прав в своём описании пространства, времени и гравитации, или для объяснения этих явлений требуются альтернативные теории относительности.

Галактики, космология, темная материя и темная энергия

Чувствительность SKA в 21-сантиметровой водородной линии позволит составить карту миллиарда галактик до границы наблюдаемой Вселенной. Крупномасштабная структура космоса, таким образом выявленная, позволит установить ограничения для определения процессов, ответственных за формирование и эволюцию галактик. Визуализация водорода во всей Вселенной предоставит трехмерную картину первых флуктуаций структуры, из которых сформировались отдельные галактики и скопления. Это также может позволить измерить эффекты, гипотетически вызванные темной энергией, приводящие к ускоренному расширению Вселенной. Космологические измерения, ставшие возможными благодаря обзорам галактик SKA, включают в себя проверку моделей темной энергии, гравитации, первичной Вселенной и фундаментальной космологии, и они суммированы в серии статей, доступных онлайн.

Эпоха реионизации

SKA предназначен для получения наблюдательных данных из так называемых Тёмных веков (периода между 300 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная остыла настолько, что водород стал нейтральным и отделился от излучения) и эпохи Первого света (спустя миллиард лет, когда впервые наблюдается формирование молодых галактик и повторная ионизация водорода). Наблюдая за первоначальным распределением газа, SKA сможет увидеть, как Вселенная постепенно освещалась по мере формирования и эволюции звёзд и галактик. Этот период Тёмных веков, завершившийся эпохой Первого света, считается первой главой в космической истории творения, а необходимое для наблюдения этого события разрешение – ключевой фактор, определивший конструкцию массива Square Kilometre Array. Для наблюдения эпохи Первого света требуется телескоп, в 100 раз более мощный, чем самые крупные существующие радиотелескопы, с общей собирающей площадью в 1 миллион квадратных метров, или один квадратный километр.

Космический магнетизм

До сих пор невозможно ответить на фундаментальные вопросы о происхождении и эволюции космических магнитных полей, но очевидно, что они являются важной составляющей межзвездного и межгалактического пространства. Составляя карту влияния магнетизма на излучение от очень далеких галактик, SKA исследует природу космического магнетизма и роль, которую он сыграл в эволюции Вселенной.

Поиск внеземной жизни

Эта ключевая научная программа, названная "Колыбель жизни", будет сосредоточена на трех задачах: наблюдение протопланетных дисков в обитаемых зонах, поиск пребиотической химии и вклад в поиск внеземного разума (SETI). SKA сможет исследовать обитаемые зоны, подобные Солнцу, протозвезд, где планеты или спутники, подобные Земле, с наибольшей вероятностью будут иметь среду, благоприятную для развития жизни. Характерные признаки формирующихся планет земного типа, запечатленные в околозвездной пыли, могут быть наиболее очевидным свидетельством их присутствия и эволюции. Астробиологи также будут использовать SKA для поиска сложных органических соединений (углеродсодержащих химических веществ) в космическом пространстве, включая аминокислоты, путем идентификации спектральных линий на определенных частотах.