El Square Kilometer Array ( SKA ) es un proyecto intergubernamental de radiotelescopio internacional que se está construyendo en Australia (baja frecuencia) y Sudáfrica (media frecuencia). La infraestructura combinada, el Observatorio Square Kilometer Array (SKAO), y la sede, están ubicadas en el Observatorio Jodrell Bank en el Reino Unido. Los núcleos SKA se están construyendo en el hemisferio sur , donde la vista de la Vía Láctea es mejor y las interferencias de radio son mínimas.
Concebido en la década de 1990 y desarrollado y diseñado a finales de la década de 2010, cuando esté terminado en algún momento de la década de 2020 tendrá un área total de recolección de aproximadamente un kilómetro cuadrado . Operará en una amplia gama de frecuencias y su tamaño lo hará 50 veces más sensible que cualquier otro instrumento de radio. Si se construye según lo previsto, debería poder observar el cielo más de diez mil veces más rápido que antes. Con estaciones receptoras que se extienden a una distancia de al menos 3.000 km (1.900 millas) desde un núcleo central concentrado, explotará la capacidad de la radioastronomía para proporcionar las imágenes de mayor resolución de toda la astronomía.
El consorcio SKAO fue fundado en Roma en marzo de 2019 por siete países miembros iniciales, al que posteriormente se unieron varios otros; en 2021 [actualizar]había 14 miembros del consorcio. Esta organización internacional tiene la tarea de construir y operar la instalación. El proyecto tiene dos fases de construcción: el actual SKA1, comúnmente llamado simplemente SKA, y una posible fase posterior significativamente ampliada, a veces llamada SKA2. La fase de construcción del proyecto comenzó el 5 de diciembre de 2022 tanto en Sudáfrica como en Australia.
Historia
El Square Kilometer Array (SKA) se concibió originalmente en 1991 con un grupo de trabajo internacional creado en 1993. Esto llevó a la firma del primer Memorando de Acuerdo en 2000. [1]
En los primeros días de la planificación, China compitió por albergar el SKA, proponiendo construir varios platos grandes en las depresiones naturales de piedra caliza ( karst ) que forman hoyuelos en sus provincias del suroeste; China llamó a su propuesta Telescopio de Síntesis de Radio de Área de un Kilómetro Cuadrado (KARST). [2] [3]
El proyecto tiene dos fases de construcción: el actual SKA1, comúnmente llamado simplemente SKA, y una posible fase posterior significativamente ampliada, a veces llamada SKA2. [5] PrepSKA comenzó en 2008, lo que llevó a un diseño completo de SKA en 2012. La construcción de la Fase 1 estaba programada para llevarse a cabo entre 2018 y 2020, [ necesita actualización ] proporcionando una matriz operativa, y la Fase 2 se completará en 2025. [ cita requerida] ]
En febrero de 2012, un ex presidente del Comité SKA australiano [ se necesita aclaración ] expresó su preocupación ante los medios de comunicación sudafricanos sobre los riesgos en el sitio candidato australiano, particularmente en términos de costos, interferencia minera y acuerdos territoriales. SKA Australia declaró que se habían abordado todos los puntos en la oferta del sitio. [9] En marzo de 2012 se informó que el Comité Asesor del Sitio del SKA había hecho un informe confidencial en febrero de que la oferta sudafricana era más fuerte. [10] Sin embargo, se creó un grupo de trabajo científico para explorar posibles opciones de implementación de las dos regiones anfitrionas candidatas, [11] y el 25 de mayo de 2012 se anunció que se había determinado que el SKA se dividiría en Sudáfrica y sitios africanos y los sitios de Australia y Nueva Zelanda. [12] Si bien Nueva Zelanda siguió siendo miembro de la Organización SKA en 2014, parecía que no era probable que se ubicara ninguna infraestructura SKA en Nueva Zelanda. [13]
En abril de 2015, se eligió la sede del proyecto SKA para ubicarla en el Observatorio Jodrell Bank en el Reino Unido, [14] [15] inaugurado oficialmente en julio de 2019. [ cita necesaria ]
Los contratos de construcción iniciales comenzaron en 2018. No se esperan observaciones científicas con el conjunto completamente terminado antes de 2027. [16] [17]
El 12 de marzo de 2019, siete países miembros iniciales fundaron en Roma el Observatorio Square Kilometer Array (SKAO): Australia, China, Italia, Países Bajos, Portugal, Sudáfrica y Reino Unido. Se espera que India y Suecia lo sigan en breve, y otros ocho países han expresado interés en unirse en el futuro. Esta organización internacional tuvo la tarea de construir y operar la instalación, y se espera que los primeros contratos de construcción se adjudiquen a finales de 2020. [ necesita actualización ] [18]
A mediados de 2019, se esperaba que el inicio de las observaciones científicas no comenzara antes de 2027. [16] En julio de 2019, Nueva Zelanda se retiró del proyecto. [dieciséis]
La fase de construcción del proyecto comenzó el 5 de diciembre de 2022 en Australia y Sudáfrica, y delegaciones de cada uno de los ocho países que lideran el proyecto asistieron a las ceremonias para celebrar el evento. [20] La parte australiana del proyecto comprende 100.000 antenas construidas a lo largo de 74 km (46 millas), también en la región de Murchison , en las tierras tradicionales del pueblo aborigen Wajarri . Se esperaba que las topadoras comenzaran a trabajar en el sitio a principios de 2023, [ necesita actualización ] y la fecha de finalización se estima en 2028. El sitio recibió el nombre de Inyarrimanha Ilgari Bundara , que significa " compartir cielo y estrellas " en el idioma wajarri . [21]
El Departamento de Energía Atómica (DAE) de la India y el Departamento de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI) están investigando la posibilidad de establecer instalaciones de supercomputación para manejar datos del radiotelescopio Square Kilometer Array. El Reino Unido y la India forman parte del equipo que desarrolla el procesamiento computacional para el radiotelescopio SKA. [22] El 3 de enero de 2024, el gobierno indio aprobó unirse al proyecto SKA acompañado de un compromiso financiero de 1.250 millones de rupias, lo que marca el paso inicial hacia la ratificación como estado miembro. [23]
Descripción
Países que participaron en la fase preparatoria de SKA [24]
El SKA combinará las señales recibidas de miles de pequeñas antenas repartidas en una distancia de varios miles de kilómetros para simular un único radiotelescopio gigante capaz de alcanzar una sensibilidad y una resolución angular extremadamente altas, utilizando una técnica llamada síntesis de apertura . [25] Algunos de los subconjuntos del SKA también tendrán un campo de visión (FOV) muy grande, lo que permitirá estudiar áreas muy grandes del cielo a la vez. [26] Un desarrollo innovador es el uso de matrices de plano focal que utilizan tecnología de matriz en fase para proporcionar múltiples FOV. [27] Esto aumentará en gran medida la velocidad de estudio del SKA y permitirá a varios usuarios observar diferentes partes del cielo simultáneamente, lo cual es útil para (por ejemplo) monitorear múltiples púlsares. La combinación de un campo de visión muy grande con una alta sensibilidad significa que el SKA podrá realizar estudios del cielo extremadamente grandes considerablemente más rápido que cualquier otro telescopio. [28]
El SKA combinado proporcionará una amplia gama de cobertura: el Murchison Widefield Array de Australia proporcionará cobertura de baja frecuencia y el MeerKAT de Sudáfrica proporcionará cobertura de frecuencia media. [29] [30] [5] Habrá cobertura de frecuencia continua desde 50 MHz hasta 14 GHz en las dos primeras fases de su construcción.
Fase 1: Proporcionar ~10 % del área total de recolección en frecuencias bajas y medias para 2023 (SKA1). [31]
Fase 2: Finalización del conjunto completo (SKA2) en frecuencias bajas y medias para 2030. [32]
El rango de frecuencia de 50 MHz a 14 GHz, que abarca más de dos décadas , no se puede realizar utilizando un solo diseño de antena, por lo que el SKA comprenderá subconjuntos separados de diferentes tipos de elementos de antena que conformarán el SKA-low, SKA. -matrices medias y de encuesta:
Impresión artística de una estación SKA Sparse Aperture Array de banda bajaImpresión artística de una estación SKA Dense Aperture Array
SKA-low array: un conjunto en fase de antenas dipolo simples para cubrir el rango de frecuencia de 50 a 350 MHz. Estos se agruparán en estaciones de 40 m de diámetro, cada una con 256 elementos dipolo de doble polarización orientados verticalmente. [33] Las estaciones estarán situadas en un 75% dentro de un núcleo de 2 km de diámetro y las estaciones restantes situadas en tres brazos en espiral, que se extenderán en un radio de 50 km. [34]
Conjunto SKA-mid: un conjunto de varios miles de antenas parabólicas (alrededor de 200 se construirán en la Fase 1) para cubrir el rango de frecuencia de 350 MHz a 14 GHz. Se espera que el diseño de la antena siga el del Allen Telescope Array utilizando un diseño gregoriano desplazado con una altura de 15 metros y un ancho de 12 metros. [31] [35]
Conjunto de encuesta SKA: un conjunto compacto de antenas parabólicas de 12 a 15 metros de diámetro cada una para el rango de frecuencia media, cada una equipada con una alimentación multihaz en fase con un gran campo de visión y varios sistemas de recepción que cubren aproximadamente 350 MHz. – 4 GHz. El subconjunto de encuesta se eliminó de la especificación SKA1 luego de un ejercicio de "rebaselining" en 2015. [36]
El área cubierta por el SKA, que se extiende hasta ~3000 km, comprenderá tres regiones: [25] [37]
Una región central que contiene núcleos de aproximadamente 5 km de diámetro de antenas SKA medias (Sudáfrica) y dipolos SKA bajos (Australia Occidental). Estas regiones centrales contendrán aproximadamente la mitad del área total de recolección de los conjuntos SKA.
Una región media que se extiende a lo largo de 180 km. Contendrá platos y pares de estaciones SKA-mid y SKA-low. En cada caso, se ubicarán aleatoriamente dentro del área con la densidad de antenas y estaciones cayendo hacia la parte exterior de la región.
Una región exterior de 180 km a 3000 km. Estará compuesto por cinco brazos en espiral, a lo largo de los cuales se ubicarán las antenas de SKA-mid, agrupadas en estaciones de 20 antenas. La separación de las estaciones aumenta hacia los extremos exteriores de los brazos espirales.
Costos
Se estimó que el SKA costó 1.800 millones de euros en 2014, incluidos 650 millones de euros para la Fase 1, lo que representó alrededor del 10% de la capacidad prevista de todo el conjunto de telescopios. [38] [39] Ha habido numerosos retrasos y costos crecientes a lo largo de los casi 30 años de historia del proyecto intergubernamental. [dieciséis]
En diciembre de 2022 [actualizar], se informó que todo el proyecto valía alrededor de 3 mil millones de dólares australianos. [21]
Mapa de membresía de la Organización Square Kilometer Array (SKAO)
Miembros
En febrero de 2021, los miembros del consorcio SKAO eran: [8] [40]
En diciembre de 2022 [actualizar], había 16 países involucrados en el proyecto. [21]
Ubicaciones de SKA
Se utilizó un sistema automático de escáner de radio de banda ancha para estudiar los niveles de ruido de radiofrecuencia en los distintos sitios candidatos en Sudáfrica.
Los sitios adecuados para el telescopio SKA deben estar en áreas despobladas con niveles muy bajos garantizados de interferencias de radio causadas por el hombre. Inicialmente se propusieron cuatro sitios en Sudáfrica, Australia, Argentina y China. [46] Después de considerables estudios de evaluación de sitios, Argentina y China fueron descartados y los otros dos sitios fueron preseleccionados (con Nueva Zelanda uniéndose a la candidatura australiana y otros ocho países africanos uniéndose a la candidatura sudafricana): [ 47]
Muchos grupos están trabajando a nivel mundial para desarrollar la tecnología y las técnicas necesarias para el SKA. Sus contribuciones al proyecto internacional SKA se clasifican como: Precursores, Pioneros o Estudios de Diseño.
Instalación precursora: Un telescopio en uno de los dos sitios candidatos a SKA, que lleva a cabo actividades relacionadas con SKA.
Pathfinder: Un telescopio o programa que lleva a cabo actividades de tecnología, ciencia y operaciones relacionadas con SKA.
Estudio de diseño: un estudio de uno o más subsistemas principales del diseño de SKA, incluida la construcción de prototipos.
El SKA Pathfinder australiano, o ASKAP, es un proyecto de 100 millones de dólares australianos que construyó un conjunto de telescopios de treinta y seis antenas parabólicas de doce metros. Emplea tecnologías avanzadas e innovadoras, como alimentaciones de matriz en fase , para brindar un amplio campo de visión (30 grados cuadrados). ASKAP fue construido por CSIRO en el sitio del Observatorio de Radioastronomía Murchison, ubicado cerca de Boolardy en la región del medio oeste de Australia Occidental. Las 36 antenas y sus sistemas técnicos se inauguraron oficialmente en octubre de 2012. [51]
MeerKAT es un proyecto sudafricano que consta de una serie de sesenta y cuatro platos de 13,5 metros de diámetro como instrumento científico de clase mundial, y también fue construido para ayudar a desarrollar tecnología para el SKA.
KAT-7 , un instrumento de banco de pruebas de ingeniería y ciencia de siete antenas para MeerKAT, en el Parque Nacional Meerkat cerca de Carnarvon en la Provincia del Cabo Norte de Sudáfrica, se puso en servicio en 2012 y estaba en funcionamiento en mayo de 2018, cuando los sesenta y cuatro 13.5- Se completaron antenas parabólicas de un metro de diámetro (44,3 pies) y luego se realizaron pruebas de verificación para garantizar que los instrumentos funcionen correctamente. [52] [ necesita actualización ] Los platos están equipados con una serie de alimentaciones de un solo píxel de alto rendimiento para cubrir frecuencias desde 580 MHz hasta 14 GHz. [53]
Matriz Murchison Widefield (MWA)
El Murchison Widefield Array [54] es un conjunto de radio de baja frecuencia que opera en el rango de frecuencia de 80 a 300 MHz y que comenzó a funcionar de manera mejorada en 2018 en el sitio del Observatorio de Radioastronomía Murchison en Australia Occidental.
Matriz de reionización de la época del hidrógeno (HERA)
El conjunto HERA está ubicado en el Parque Nacional Suricata de Sudáfrica. Está diseñado para estudiar las emisiones de hidrógeno atómico altamente desplazadas al rojo emitidas antes y durante la época de reionización.
El Allen Telescope Array en California utiliza innovadoras antenas parabólicas gregorianas desplazadas de 6,1 m equipadas con alimentaciones únicas de banda ancha que cubren frecuencias de 500 MHz a 11 GHz. El conjunto de 42 elementos en funcionamiento hasta 2017 se ampliará a 350 elementos. [ ¿ cuando? ] El diseño del plato ha explorado métodos de fabricación de bajo costo. [sesenta y cinco]
LOFAR
El Telescopio Internacional LOFAR, un proyecto de 150 millones de euros liderado por los holandeses, es un novedoso conjunto de apertura en fase de baja frecuencia extendido por el norte de Europa. Un telescopio totalmente electrónico que cubre frecuencias bajas de 10 a 240 MHz, estuvo en funcionamiento de 2009 a 2011. En 2017, LOFAR estaba desarrollando técnicas de procesamiento cruciales para el SKA. [66] [ necesita actualización ] . Debido a sus líneas de base de hasta 2000 km, puede generar imágenes con una resolución angular de menos de un segundo de arco en un amplio campo de visión. Estas imágenes de alta resolución a bajas frecuencias son únicas y serán un factor de más de un orden de magnitud mejor que SKA1-LOW.
Estudios de diseño
Programa de verificación de matriz de apertura [68]
Programa SKA canadiense [69]
Estudio preparatorio para el SKA [70]
Estudios de diseño de matrices de kilómetros cuadrados (SKADS) [71]
La cantidad de datos sensoriales recopilados plantea un enorme problema de almacenamiento y requerirá un procesamiento de señales en tiempo real para reducir los datos sin procesar a información derivada relevante. A mediados de 2011, se estimó que la matriz podría generar un exabyte por día de datos sin procesar, que podrían comprimirse a alrededor de 10 petabytes . [73] China, miembro fundador del proyecto, ha diseñado y construido el primer prototipo del centro regional de procesamiento de datos. An Tao, jefe del grupo SKA del Observatorio Astronómico de Shanghai , afirmó: "Generará flujos de datos mucho más allá del tráfico total de Internet en todo el mundo". La supercomputadora Tianhe-2 se utilizó en 2016 para entrenar el software. El procesamiento del proyecto se realizará en procesadores Virtex-7 diseñados y fabricados en China [74] [75] por Xilinx , integrados en plataformas por el CSIRO . [76] China ha presionado por un diseño unificado de formación de vigas que ha llevado a otros países importantes a abandonar el proyecto. [77] Canadá sigue utilizando procesadores Altera Stratix-10 (de Intel ). [78] Es ilegal que cualquier empresa estadounidense exporte FPGA Intel de alta gama o cualquier detalle de diseño o firmware de CSP relacionado a China [79] en medio del embargo estadounidense [80] [81] [82] [83] que limitará severamente cooperación. [ cita necesaria ]
Proyecto de Desarrollo Tecnológico (TDP)
El Proyecto de Desarrollo Tecnológico, o TDP, es un proyecto de 12 millones de dólares para desarrollar específicamente tecnología de platos y piensos para el SKA. Es operado por un consorcio de universidades [ se necesita aclaración ] liderado por la Universidad de Cornell y se completó en 2012. [84]
Riesgos y oposición del proyecto.
Los riesgos potenciales para los sitios astronómicos prioritarios en Sudáfrica están protegidos por la Ley de Ventajas Geográficas de la Astronomía de 2007. [85] Establecida para apoyar específicamente la candidatura sudafricana al SKA, prohíbe todas las actividades que puedan poner en peligro el funcionamiento científico de los instrumentos astronómicos centrales. En 2010, surgieron preocupaciones sobre la voluntad de hacer cumplir esta ley cuando Royal Dutch Shell solicitó explorar el Karoo en busca de gas de esquisto mediante fracturación hidráulica , una actividad que tendría el potencial de aumentar la interferencia de radio en el sitio. [86]
Una ubicación de estación remota identificada para el conjunto de África meridional en Mozambique estuvo sujeta a inundaciones y fue excluida del proyecto, [87] a pesar de que el análisis técnico del Comité de Selección de Sitios de SKA informó que todas las estaciones remotas africanas podrían implementar soluciones de mitigación de inundaciones. [88]
Durante 2014, Sudáfrica experimentó una huelga de un mes por parte del Sindicato Nacional de Trabajadores Metalúrgicos (NUMSA), lo que se sumó a los retrasos en la instalación de los platos. [89]
El mayor riesgo para todo el proyecto probablemente sea su presupuesto, que hasta 2014 no había sido comprometido. [90]
Ha habido oposición al proyecto por parte de agricultores, empresas e individuos en Sudáfrica desde su inicio. [91] El grupo de defensa llamado Save the Karoo ha declarado que la zona tranquila de la radio crearía más desempleo en la región sudafricana donde el desempleo ya supera el 32%. [92] Los agricultores habían declarado que la economía basada en la agricultura en el Karoo colapsaría si se vieran obligados a vender sus tierras. [93] [94]
Proyectos clave
Impresión artística de las antenas gregorianas desplazadas.Esquema de la Región Central del SKA
Las capacidades del SKA se diseñarán para abordar una amplia gama de cuestiones de astrofísica , física fundamental , cosmología y astrofísica de partículas , así como para ampliar el alcance del universo observable . A continuación se enumeran una serie de proyectos científicos clave que han sido seleccionados para su implementación a través del SKA.
Pruebas extremas de la relatividad general.
Durante casi cien años, la teoría general de la relatividad de Albert Einstein ha predicho con precisión el resultado de cada experimento realizado para probarla. La mayoría de estas pruebas, incluidas las más estrictas, se han realizado mediante mediciones radioastronómicas. Utilizando púlsares como detectores de ondas gravitacionales cósmicas , o púlsares sincronizados que se encuentran orbitando agujeros negros , los astrónomos podrán examinar los límites de la relatividad general, como el comportamiento del espacio-tiempo en regiones de espacio extremadamente curvado. El objetivo es revelar si Einstein estaba en lo cierto en su descripción del espacio, el tiempo y la gravedad, o si se necesitan alternativas a la relatividad general para explicar estos fenómenos.
Galaxias, cosmología, materia oscura y energía oscura.
Las mediciones cosmológicas permitidas por los estudios de galaxias SKA incluyen modelos de prueba de energía oscura, [96] gravedad, [97] el universo primordial, [98] y cosmología fundamental, [99] y se resumen en una serie de artículos disponibles en línea. [100] [101] [102] [103]
Época de reionización
El objetivo del SKA es proporcionar datos de observación de la llamada Edad Oscura (entre 300.000 años después del Big Bang , cuando el universo se enfrió lo suficiente como para que el hidrógeno se volviera neutro y se desacoplara de la radiación) y la época de la Primera Luz (mil millones de años después). cuando se ve por primera vez la formación de galaxias jóvenes y el hidrógeno se ioniza nuevamente). Al observar la distribución primordial del gas, el SKA debería poder ver cómo el Universo se ilumina gradualmente a medida que sus estrellas y galaxias se forman y luego evolucionan. Este período de la Edad Media, que culmina con la Primera Luz, se considera el primer capítulo de la historia cósmica de la creación, y el poder de resolución necesario para ver este evento es la razón del diseño del Square Kilometer Array. Para volver a ver la Primera Luz se necesita un telescopio 100 veces más potente que los radiotelescopios más grandes del mundo actualmente, ocupando 1 millón de metros cuadrados de área de recolección, o un kilómetro cuadrado. [104]
magnetismo cósmico
Todavía no es posible responder preguntas básicas sobre el origen y la evolución de los campos magnéticos cósmicos , pero está claro que son un componente importante del espacio interestelar e intergaláctico. Al mapear los efectos del magnetismo en la radiación de galaxias muy distantes, el SKA investigará la forma del magnetismo cósmico y el papel que ha desempeñado en la evolución del Universo.
Búsqueda de vida extraterrestre
Este programa científico clave, llamado "Cuna de la Vida", se centrará en tres objetivos: observar discos protoplanetarios en zonas habitables , buscar química prebiótica y contribuir a la búsqueda de inteligencia extraterrestre ( SETI ). [105]
Los astrobiólogos también utilizarán el SKA para buscar compuestos orgánicos complejos (sustancias químicas que contienen carbono) en el espacio exterior, incluidos aminoácidos , identificando líneas espectrales en frecuencias específicas. [106]
El SKA será capaz de detectar "fugas" de emisiones de radio extremadamente débiles de civilizaciones extraterrestres cercanas , si es que existen. [106]
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enlaces externos
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Internacional
Sitio web de SKA
SKA en Scholarpedia
Australia/Nueva Zelanda
Sitio web de SKA Australia
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Estación Boolardy y Observatorio de Radioastronomía Murchison (MRO) – Universidad de Australia Occidental
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Un asunto troyano - Novela sobre el SKA
Canadá
Sitio web del Consorcio Canadiense SKA
Europa
Sitio web de SKA Design Studies Archivado el 30 de diciembre de 2011 en Wayback Machine.
Sudáfrica
Sitio web de SKA Sudáfrica
Otro
Merrifield, Michael; Crowther, Pablo. "¿Dónde construir la matriz de kilómetros cuadrados?". Vídeos del espacio profundo . Brady Harán .
Medios relacionados con Square Kilometer Array en Wikimedia Commons
