Радиоинтерферометр LOFAR: Европейская сеть радиотелескопов.

Введение

Сеть радиотелескопов, расположенная преимущественно в Нидерландах.

Низкочастотный массив (LOFAR) – это крупный радиотелескоп с антенной сетью, расположенной преимущественно в Нидерландах и охватывающей 7 других европейских стран по состоянию на 2019 год. Первоначально спроектированный и построенный ASTRON, Нидерландским институтом радиоастрономии, он был впервые открыт королевой Беатрикс Нидерландов в 2010 году и с тех пор эксплуатируется от имени международного партнерства International LOFAR Telescope (ILT) компанией ASTRON. LOFAR состоит из огромного массива всенаправленных радиоантенн, использующих современную концепцию, в которой сигналы от отдельных антенн не соединяются напрямую электрически для работы как единая большая антенна, как это обычно делается в большинстве антенных решеток. Вместо этого дипольные антенны LOFAR (двух типов) распределены по станциям, внутри которых сигналы антенн могут быть частично объединены в аналоговой электронике, затем оцифрованы и снова объединены по всей станции. Такой поэтапный подход обеспечивает большую гибкость в настройке и быстром изменении направленной чувствительности антенной станции к небесным объектам. Данные со всех станций затем передаются по оптоволокну в центральный цифровой процессор и объединяются программным обеспечением для эмуляции параболической радиотелескопической антенны с разрешающей способностью, соответствующей наибольшему расстоянию между антенными станциями в Европе. Таким образом, LOFAR является интерферометрической решеткой, использующей около 20 000 небольших антенн, сконцентрированных на 52 станциях с 2019 года. 38 из этих станций расположены в Нидерландах и построены за счет регионального и национального финансирования. Шесть станций находятся в Германии, три – в Польше, и по одной – во Франции, Великобритании, Ирландии, Латвии и Швеции, с различным национальным, региональным и местным финансированием и собственностью. Италия официально присоединилась к International LOFAR Telescope (ILT) в 2018 году; строительство на территории обсерватории INAF в Медичине, недалеко от Болоньи, планируется после появления обновленного (так называемого LOFAR2.0) оборудования. Дальнейшее строительство станций в других европейских странах находится на разных стадиях планирования. Общая эффективная собирающая площадь составляет приблизительно 300 000 квадратных метров, в зависимости от частоты и конфигурации антенны. До 2014 года обработка данных осуществлялась на суперкомпьютере Blue Gene/P, расположенном в Университете Гронингена в Нидерландах. С 2014 года LOFAR использует коррелятор и формирователь луча на основе графических процессоров COBALT для этой задачи. LOFAR также является технологической и научной платформой для разработки Square Kilometre Array.

The Low Frequency Array (LOFAR) is a large radio telescope, with an antenna network located mainly in the Netherlands, and spreading across 7 other European countries as of 2019. Originally designed and built by ASTRON, the Netherlands Institute for Radio Astronomy, it was first opened by Queen Beatrix of The Netherlands in 2010, and has since been operated on behalf of the International LOFAR Telescope (ILT) partnership by ASTRON. LOFAR consists of a vast array of omnidirectional radio antennas using a modern concept, in which the signals from the separate antennas are not connected directly electrically to act as a single large antenna, as they are in most array antennas. Instead, the LOFAR dipole antennas (of two types) are distributed in stations, within which the antenna signals can be partly combined in analogue electronics, then digitised, then combined again across the full station. This step wise approach provides great flexibility in setting and rapidly changing the directional sensitivity on the sky of an antenna station. The data from all stations are then transported over fiber to a central digital processor, and combined in software to emulate a conventional radio telescope dish with a resolving power corresponding to the greatest distance between the antenna stations across Europe. LOFAR is thus an interferometric array, using about 20,000 small antennas concentrated in 52 stations since 2019. 38 of these stations are distributed across the Netherlands, built with regional and national funding. The six stations in Germany, three in Poland, and one each in France, Great Britain, Ireland, Latvia, and Sweden, with various national, regional, and local funding and ownership. Italy officially joined the International LOFAR Telescope (ILT) in 2018; construction at the INAF observatory site in Medicina, near Bologna, is planned as soon as upgraded (so called LOFAR2.0) hardware becomes available. Further stations in other European countries are in various stages of planning. The total effective collecting area is approximately 300,000 square meters, depending on frequency and antenna configuration. Until 2014, data processing was performed by a Blue Gene/P supercomputer situated in the Netherlands at the University of Groningen. Since 2014 LOFAR uses a GPU based correlator and beamformer, COBALT, for that task. LOFAR is also a technology and science pathfinder for the Square Kilometre Array.

Нельзя

Телескоп NenuFAR расположен совместно с радиотелескопом Нансай. Он является расширением станции Нансай LOFAR (FR606), добавляя 96 низкочастотных модулей, каждый из которых состоит из "мини-массива" из 19 перекрещенных дипольных антенн, распределенных по окружности диаметром около 400 м. Модули представляют собой шестиугольную группу с антеннами, фазированными аналоговым способом. Телескоп способен принимать радиочастоты в диапазоне 10–85 МГц, включая также низкочастотный диапазон LOFAR (30–80 МГц). Массив NenuFAR может функционировать как высокочувствительная, совместимая с LOFAR сверхширокополосная станция (LSS), работая совместно с остальной частью LOFAR для увеличения общей чувствительности массива почти в два раза и улучшения его возможностей формирования изображений. Он также может использоваться в качестве второго сверхъядра для повышения доступности массива. Благодаря выделенному приемнику, NenuFAR может работать и как самостоятельный инструмент, известный в этом режиме как NenuFAR/Standalone.

Другие станции

Кроме того, набор антенн LOFAR развернут на KAIRA (Kilpisjärvi Atmospheric Imaging Receiver Array) вблизи Килписярви, Финляндия. Эта установка функционирует как ВЧ-приемник как в автономном режиме, так и в составе бистатической радиолокационной системы совместно с передатчиком EISCAT в Тромсё.

Передача данных

Требования к передаче данных составляют несколько гигабит в секунду на станцию, а необходимая вычислительная мощность – несколько десятков ТераФлопс. Данные, полученные с LOFAR, хранятся в долгосрочном архиве LOFAR. Архив реализован как распределенное хранилище, данные которого распределены между центром обработки данных Target, расположенным в Центре информационных технологий Дональда Смитта при Университете Гронингена, центром SURFsara [nl] в Амстердаме и исследовательским центром Forschungszentrum Jülich в Германии.

Чувствительность

Миссия LOFAR заключается в картировании Вселенной на радиочастотах от ~10–240 МГц с более высоким разрешением и чувствительностью, чем у предыдущих обзоров, таких как обзоры 7C и 8C, а также обзоры, выполненные с помощью Very Large Array (VLA) и Giant Meterwave Radio Telescope (GMRT). LOFAR будет самой чувствительной радиообсерваторией на своих низких наблюдательных частотах до ввода в эксплуатацию Square Kilometre Array (SKA) в конце 2020-х годов. Даже после этого SKA будет проводить наблюдения только на частотах >50 МГц, а угловое разрешение LOFAR останется значительно выше.

Научный случай

Чувствительность и пространственное разрешение, достигаемые с помощью LOFAR, открывают возможности для проведения нескольких фундаментальных новых исследований Вселенной, а также способствуют уникальным практическим исследованиям околоземной среды. В приведенном ниже списке термин z обозначает безразмерную величину, указывающую красное смещение радиоисточников, наблюдаемых LOFAR. В очень далёкой Вселенной (6 < z < 10) LOFAR может искать сигнатуру, возникающую в результате реионизации нейтрального водорода. Этот критический фазовый переход, как предполагается, произошёл в эпоху формирования первых звёзд и галактик, знаменуя конец так называемых «тёмных веков». Красное смещение, при котором, как считается, произошла реионизация, сместит 21-сантиметровую линию нейтрального водорода с частотой 1420,40575 МГц в окно наблюдений LOFAR. Наблюдаемая сегодня частота уменьшается в (z+1) раз. В далёкой «формирующейся» Вселенной (1.5 < z < 7) LOFAR способен обнаруживать самые далёкие массивные галактики и будет изучать процессы формирования самых ранних структур Вселенной (галактик, скоплений и активных ядер), а также исследовать межгалактический газ. В магнитной Вселенной LOFAR картографирует распределение космических лучей и глобальных магнитных полей в нашей и близлежащих галактиках, в скоплениях галактик и в межгалактической среде. В области высоких энергий LOFAR обнаруживает ультравысокоэнергетические космические лучи, проникающие в атмосферу Земли. Специальная испытательная станция для этой цели, LOPES, функционирует с 2003 года. Внутри галактики Млечный Путь LOFAR обнаружил множество новых пульсаров в пределах нескольких килопарсек от Солнца, проводил поиск кратковременных переходных событий, вызванных слияниями звёзд или аккрецией на чёрные дыры, и будет искать всплески от экзопланет, подобных Юпитеру. В пределах Солнечной системы LOFAR обнаруживает корональные выбросы массы от Солнца и предоставляет непрерывные крупномасштабные карты солнечного ветра. Эта важная информация о космической погоде и её влиянии на Землю облегчает прогнозирование дорогостоящих и разрушительных геомагнитных бурь. В непосредственной близости от Земли LOFAR будет непрерывно картографировать неоднородности в ионосфере, обнаруживать ионизирующее воздействие далёких вспышек гамма-лучей и вспышки, которые, как ожидается, возникают от самых высокоэнергетических космических лучей, природа которых остаётся неясной. Исследуя новое спектральное окно, LOFAR, вероятно, совершит случайные открытия. Обнаружение новых классов объектов или новых астрофизических явлений стало результатом работы почти всех предыдущих установок, которые открывали новые области спектра или значительно улучшали инструментальные параметры, такие как чувствительность, более чем на порядок.

The sensitivities and spatial resolutions attainable with LOFAR make possible several fundamental new studies of the Universe as well as facilitating unique practical investigations of the Earth's environment. In the following list the term z is a dimensionless quantity indicating the redshift of the radio sources seen by LOFAR. In the very distant Universe (6 < z < 10), LOFAR can search for the signature produced by the reionization of neutral hydrogen. This crucial phase change is predicted to occur at the epoch of the formation of the first stars and galaxies, marking the end of the so called "dark ages". The redshift at which reionization is thought to occur will shift the 21 cm line of neutral hydrogen at 1420.40575 MHz into the LOFAR observing window. The frequency observed today is lower by a factor of 1/(z+1). In the distant "formative" Universe (1.5 < z < 7), LOFAR is capable of detecting the most distant massive galaxies and will study the processes by which the earliest structures in the Universe (galaxies, clusters and active nuclei) form and probe the intergalactic gas. In the magnetic Universe, LOFAR is mapping the distribution of cosmic rays and global magnetic fields in our own and nearby galaxies, in galaxy clusters and in the intergalactic medium. The high energy Universe, LOFAR detects the ultra high energy cosmic rays as they pierce the Earth's atmosphere. A dedicated test station for this purpose, LOPES, has been in operation since 2003. Within the Milky Way galaxy, LOFAR has detected many new pulsars within a few kpc from the Sun, has searched for short lived transient events produced by stellar mergers or black hole accretion, and will search for bursts from Jupiter like extrasolar planets. Within the Solar System, LOFAR detects coronal mass ejections from the Sun and provide continuous large scale maps of the solar wind. This crucial information about solar weather and its effect on Earth facilitates predictions of costly and damaging geomagnetic storms. Within the Earth's immediate environment, LOFAR will map irregularities in the ionosphere continuously, detect the ionizing effects of distant gamma ray bursts and the flashes predicted to arise from the highest energy cosmic rays, the origins of which are unclear. By exploring a new spectral window LOFAR is likely to make serendipitous discoveries. Detection of new classes of objects or new astrophysical phenomena have resulted from almost all previous facilities that open new regions of the spectrum, or pushed instrumental parameters, such as sensitivity by more than an order of magnitude.

Эпоха реионизации

Одним из самых интересных, но технически сложных применений LOFAR будет поиск красносмещенной 21-сантиметровой линии излучения эпохи реионизации (EoR). Считается, что "Темные века" – период после рекомбинации, когда Вселенная стала нейтральной – продолжались до z=20. Результаты поляризационных измерений WMAP, по-видимому, указывают на то, что реионизация могла происходить в несколько этапов или длиться продолжительное время, начавшись, возможно, при z~15–20 и завершившись при z~6. С помощью LOFAR можно исследовать диапазон красного смещения от z=11,4 (115 МГц) до z=6 (200 МГц). Ожидаемый сигнал очень слабый, и его выделение из гораздо более интенсивного фонового излучения представляет собой сложную задачу.

Глубокие экстрагалактические исследования

Одним из важнейших применений LOFAR станет проведение масштабных обзоров неба. Такие обзоры хорошо соответствуют характеристикам LOFAR и с самого начала разработки были определены как один из ключевых проектов, стимулирующих развитие LOFAR. Глубокие обзоры доступной части неба, проводимые LOFAR на нескольких частотах, предоставят уникальные каталоги радиоисточников для изучения различных фундаментальных областей астрофизики, включая формирование массивных черных дыр, галактик и скоплений галактик. Поскольку обзоры LOFAR позволят исследовать неизученный параметр Вселенной, вероятно, они приведут к открытию новых явлений. В феврале 2021 года астрономы впервые представили изображение с очень высоким разрешением, содержащее 25 000 активных сверхмассивных черных дыр, охватывающее четыре процента северного небесного полушария и полученное на основе ультрадлинных радиоволн, зарегистрированных LOFAR.

Мимолетные радио явления и пульсары

Сочетание низких частот, всенаправленных антенн, высокоскоростной передачи данных и вычислительных мощностей означает, что LOFAR откроет новую эру в наблюдении за радио небом. С территории Нидерландов станет возможно за одну ночь получить чувствительную радиокарту около 60% всего видимого с Земли неба. Мимолетные радиофеномены, о существовании которых ранее лишь косвенно свидетельствовали узконаправленные обзоры, будут обнаружены, быстро и с беспрецедентной точностью локализованы, и автоматически сопоставлены с данными, полученными от других обсерваторий (например, гамма-, оптических и рентгеновских). Эти мимолетные явления могут быть связаны со вспышками сверхновых, черными дырами, вспышками на звездах, подобных Солнцу, радиовсплесками от экзопланет или даже сигналами в рамках программы SETI. Помимо этого, в рамках этого ключевого научного проекта будет проведено глубокое исследование радиопульсаров на низких частотах, а также предпринята попытка обнаружить гигантские радиовсплески от вращающихся нейтронных звезд в далеких галактиках.

Ультравысокоэнергетические космические лучи

LOFAR предоставляет уникальную возможность в физике частиц для изучения происхождения высокоэнергетических и сверхвысокоэнергетических космических лучей (HECR и UHECR) при энергиях от эВ. Места и механизмы ускорения частиц остаются неизвестными. Возможными источниками этих HECR являются ударные волны в радиолепестках мощных радиогалактик, межгалактические ударные волны, образовавшиеся в эпоху формирования галактик, так называемые гиперновые, гамма-всплески или продукты распада сверхмассивных частиц из топологических дефектов, сохранившихся после фазовых переходов в ранней Вселенной. Основным наблюдаемым эффектом является интенсивный радиоимпульс, возникающий при взаимодействии первичного космического луча с атмосферой и создании обширного воздушного ливня (EAS). EAS распространяется вдоль направления движения первичной частицы, и существенная часть его компонентов состоит из электронно-позитронных пар, излучающих радиоизлучение в земной магнитосфере (например, геосинхротронное излучение).

Космический магнетизм

LOFAR открывает окно в до сих пор неисследованный диапазон низкоэнергетических синхротронных радиоволн, излучаемых космическими электронами в слабых магнитных полях. О происхождении и эволюции космических магнитных полей известно крайне мало. Пространство вокруг галактик и межгалактическое пространство может быть пронизано магнитными полями, и LOFAR может стать первым инструментом, способным зарегистрировать слабое радиоизлучение из таких регионов. LOFAR также будет измерять эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации низкочастотных радиоволн, что позволит использовать его как дополнительный метод для обнаружения слабых магнитных полей.

Физика Солнца и космическая погода

Солнце – интенсивный радиоисточник. И без того сильное тепловое излучение горячей солнечной короны K накладывается на интенсивные радиовсплески, связанные с явлениями солнечной активности, такими как вспышки и корональные выбросы массы (КВМ). Солнечное радиоизлучение в частотном диапазоне LOFAR испускается в средней и верхней короне. Таким образом, LOFAR – идеальный инструмент для изучения запуска КВМ, направляющихся в межпланетное пространство. Визуализирующие возможности LOFAR позволят получить информацию о том, может ли такой КВМ достичь Земли. Это делает LOFAR ценным инструментом для исследований космической погоды. Солнечные наблюдения с использованием LOFAR будут включать регулярный мониторинг солнечной активности как первопричины космической погоды. Более того, гибкость LOFAR обеспечивает быструю реакцию на солнечные радиовсплески с последующими наблюдениями. Солнечные вспышки производят энергичные электроны, которые не только приводят к излучению нетеплового солнечного радиоизлучения, но и испускают рентгеновское излучение и нагревают окружающую плазму. Поэтому совместные наблюдательные кампании с другими наземными и космическими аппаратами, например, RHESSI, Hinode, Solar Dynamics Observatory (SDO), а в перспективе Advanced Technology Solar Telescope и Solar Orbiter, дают представление об этом фундаментальном астрофизическом процессе.

Хронология

В начале 1990-х годов исследование технологии массивов апертур для радиоастрономии активно велось в ASTRON – Нидерландском институте радиоастрономии. Одновременно в ASTRON и в голландских университетах начал формироваться научный интерес к низкочастотным радиотелескопам. В 1999 году было проведено исследование осуществимости и начат поиск международных партнеров. В 2000 году Совет директоров ASTRON учредил Нидерландский руководящий комитет LOFAR, в который вошли представители всех заинтересованных факультетов голландских университетов и ASTRON. В ноябре 2003 года правительство Нидерландов выделило 52 миллиона евро на финансирование инфраструктуры LOFAR в рамках программы Bsik. В соответствии с принципами программы Bsik, LOFAR финансировался как многодисциплинарный массив датчиков для поддержки исследований в области геофизики, компьютерных наук и сельского хозяйства, а также астрономии. В декабре 2003 года начата эксплуатация первоначальной испытательной станции (ITS) LOFAR. Система ITS состоит из 60 диполей в форме перевернутой V; каждый диполь подключен к малошумящему усилителю (LNA), который обеспечивает достаточное усиление входящего сигнала для его передачи по коаксиальному кабелю длиной 110 м к приемному блоку (RCU). 26 апреля 2005 года в математическом центре Университета Гронингена был установлен суперкомпьютер IBM Blue Gene/L для обработки данных LOFAR. В то время это был второй по мощности суперкомпьютер в Европе после MareNostrum в Барселоне. С 2014 года корреляцию сигналов со всех отдельных станций выполняет еще более мощный вычислительный кластер (коррелятор) под названием COBALT. В августе/сентябре 2006 года первая станция LOFAR (основная станция CS001, также известная как CS1) была развернута в полевых условиях с использованием предсерийного оборудования. В общей сложности 96 двойных дипольных антенн (эквивалент полной станции LOFAR) сгруппированы в четыре кластера: центральный кластер с 48 диполями и три других кластера с 16 диполями каждый. Размер каждого кластера составляет около 100 м. Кластеры распределены по площади диаметром около 500 м. В ноябре 2007 года первая международная станция LOFAR (DE601), расположенная рядом со 100-метровым радиотелескопом Эффельсберг, стала первой операционной станцией. Первая полностью завершенная станция (CS302) на краю ядра LOFAR была сдана в мае 2009 года, а завершение строительства в общей сложности 40 голландских станций планировалось на 2013 год. К 2014 году работали 38 станций в Нидерландах, пять станций в Германии (Эффельсберг, Таутенбург, Унтервейленбах, Борним/Потсдам и Юлих), по одной в Великобритании (Чилболтон), во Франции (Нансай) и в Швеции (Онсала). LOFAR был официально открыт 12 июня 2010 года королевой Беатрикс Нидерландов. Регулярные наблюдения начались в декабре 2012 года.

In the early 1990s, the study of aperture array technology for radio astronomy was being actively studied by ASTRON – the Netherlands Institute for Radio Astronomy. At the same time, scientific interest in a low frequency radio telescope began to emerge at ASTRON and at the Dutch Universities. A feasibility study was carried out and international partners sought during 1999. In 2000 the Netherlands LOFAR Steering Committee was set up by the ASTRON Board with representatives from all interested Dutch university departments and ASTRON. In November 2003 the Dutch Government allocated 52 million euro to fund the infrastructure of LOFAR under the Bsik programme. In accordance with Bsik guidelines, LOFAR was funded as a multidisciplinary sensor array to facilitate research in geophysics, computer sciences and agriculture as well as astronomy. In December 2003 LOFAR's Initial Test Station (ITS) became operational. The ITS system consists of 60 inverse V shaped dipoles; each dipole is connected to a low noise amplifier (LNA), which provides enough amplification of the incoming signals to transport them over a 110 m long coaxial cable to the receiver unit (RCU). On April 26, 2005, an IBM Blue Gene/L supercomputer was installed at the University of Groningen's math centre, for LOFAR's data processing. At that time it was the second most powerful supercomputer in Europe, after the MareNostrum in Barcelona. Since 2014 an even more powerful computing cluster (correlator) called COBALT performs the correlation of signals from all individual stations. In August/September 2006 the first LOFAR station (Core Station CS001, aka. CS1 ) was put in the field using pre production hardware. A total of 96 dual dipole antennas (the equivalent of a full LOFAR station) are grouped in four clusters, the central cluster with 48 dipoles and other three clusters with 16 dipoles each. Each cluster is about 100 m in size. The clusters are distributed over an area of ~500 m in diameter. In November 2007 the first international LOFAR station (DE601) next to the Effelsberg 100 m radio telescope became the first operational station. The first fully complete station, (CS302) on the edge of the LOFAR core, was delivered in May 2009, with a total of 40 Dutch stations scheduled for completion in 2013. By 2014, 38 stations in the Netherlands, five stations in Germany (Effelsberg, Tautenburg, Unterweilenbach, Bornim/Potsdam, and Jülich), and one each in the UK (Chilbolton), in France (Nançay) and in Sweden (Onsala) were operational. LOFAR was officially opened on 12 June 2010 by Queen Beatrix of the Netherlands. Regular observations started in December 2012.