El Low-Frequency Array ( LOFAR ) es un gran radiotelescopio , con una red de antenas ubicada principalmente en los Países Bajos y que se extiende por otros 7 países europeos a partir de 2019. Originalmente diseñado y construido por ASTRON , el Instituto Holandés de Radioastronomía, fue inaugurado por primera vez por la Reina Beatriz de los Países Bajos en 2010 y desde entonces ha sido operado en nombre de la asociación International LOFAR Telescope (ILT) por ASTRON.
LOFAR consiste en un vasto conjunto de antenas de radio omnidireccionales que utilizan un concepto moderno, en el que las señales de las antenas separadas no están conectadas eléctricamente directamente para actuar como una única antena grande, como ocurre en la mayoría de las antenas de matriz . En cambio, las antenas dipolo LOFAR (de dos tipos) están distribuidas en estaciones, dentro de las cuales las señales de antena se pueden combinar parcialmente en electrónica analógica, luego digitalizar y luego combinar nuevamente en toda la estación. Este enfoque paso a paso proporciona una gran flexibilidad para configurar y cambiar rápidamente la sensibilidad direccional en el cielo de una estación de antena. Luego, los datos de todas las estaciones se transportan a través de fibra a un procesador digital central y se combinan en software para emular una antena parabólica de radiotelescopio convencional con un poder de resolución correspondiente a la mayor distancia entre las estaciones de antena en toda Europa. LOFAR es, por lo tanto, un conjunto interferométrico que utiliza alrededor de 20.000 pequeñas antenas concentradas en 52 estaciones desde 2019. 38 de estas estaciones están distribuidas en los Países Bajos, construidas con financiación regional y nacional. Las seis estaciones en Alemania , tres en Polonia y una en Francia , Gran Bretaña , Irlanda , Letonia y Suecia , con diversos tipos de financiación y propiedad nacionales, regionales y locales. Italia se unió oficialmente al Telescopio Internacional LOFAR (ILT) en 2018; la construcción en el sitio del observatorio INAF en Medicina , cerca de Bolonia , está planificada tan pronto como esté disponible el hardware actualizado (el llamado LOFAR2.0). [1] Otras estaciones en otros países europeos se encuentran en varias etapas de planificación. El área total efectiva de recolección es de aproximadamente 300.000 metros cuadrados, dependiendo de la frecuencia y la configuración de la antena. [2] Hasta 2014, el procesamiento de datos lo realizaba una supercomputadora Blue Gene/P ubicada en los Países Bajos en la Universidad de Groningen . Desde 2014, LOFAR utiliza un correlacionador y conformador de haz basado en GPU, COBALT, para esa tarea. [3] LOFAR también es un pionero en tecnología y ciencia para el Square Kilometre Array .
LOFAR fue concebido como un esfuerzo innovador para forzar un avance en la sensibilidad de las observaciones astronómicas en frecuencias de radio por debajo de 250 MHz. Los interferómetros de radio astronómicos generalmente consisten en conjuntos de platos parabólicos (por ejemplo, el One-Mile Telescope o el Very Large Array ), conjuntos de antenas unidimensionales (por ejemplo, el Molonglo Observatory Synthesis Telescope ) o conjuntos bidimensionales de antenas omnidireccionales (por ejemplo, el Interplanetary Scintillation Array de Antony Hewish ).
LOFAR combina aspectos de muchos de estos telescopios anteriores; en particular, utiliza antenas dipolo omnidireccionales como elementos de un conjunto en fase en estaciones individuales, y combina esos conjuntos en fase utilizando la técnica de síntesis de apertura desarrollada en la década de 1950. Al igual que el anterior radiotelescopio de baja frecuencia Cambridge Low Frequency Synthesis Telescope (CLFST), el diseño de LOFAR se ha concentrado en el uso de un gran número de antenas relativamente baratas sin partes móviles, concentradas en estaciones, con el mapeo realizado utilizando software de síntesis de apertura . La dirección de observación ("haz") de las estaciones se elige electrónicamente por retardos de fase entre las antenas. LOFAR puede observar en varias direcciones simultáneamente, siempre que la tasa de datos agregados permanezca por debajo de su límite. Esto, en principio, permite una operación multiusuario. [4]
LOFAR realiza observaciones en el rango de frecuencia de 10 MHz a 240 MHz con dos tipos de antenas: Antena de Banda Baja (LBA) y Antena de Banda Alta (HBA), optimizadas para 10–80 MHz y 120–240 MHz respectivamente. [5] Las señales eléctricas de las estaciones LOFAR se digitalizan, se transportan a un procesador digital central y se combinan en software para mapear el cielo. Por lo tanto, LOFAR es un "telescopio de software". [6] El costo de tales telescopios está dominado por el costo de la electrónica y, por lo tanto, seguirán en su mayoría la ley de Moore , volviéndose más baratos con el tiempo y permitiendo que se construyan telescopios cada vez más grandes. Cada antena es bastante simple, pero hay alrededor de 20.000 de ellas en el conjunto LOFAR. [4]
Para realizar sondeos de radio del cielo con la resolución adecuada, las antenas están dispuestas en grupos que se extienden sobre un área de más de 1000 km de diámetro. Las estaciones LOFAR en los Países Bajos alcanzan líneas de base de unos 100 km. LOFAR recibe actualmente datos de 24 estaciones centrales (en Exloo ), 14 estaciones "remotas" en los Países Bajos y 14 estaciones internacionales. Cada una de las estaciones centrales y remotas tiene 48 HBA y 96 LBA y un total de 48 unidades receptoras digitales (RCU). Las estaciones internacionales tienen 96 LBA y 96 HBA y un total de 96 unidades receptoras digitales (RCU). [7]
Las ubicaciones de las estaciones internacionales LOFAR son:
El telescopio NenuFAR está ubicado junto al radiotelescopio de Nançay . Es una extensión de la estación LOFAR de Nançay (FR606), que incorpora 96 teselas de baja frecuencia, cada una de las cuales consiste en un "mini-array" de 19 antenas de dipolo cruzado, distribuidas en un círculo con un diámetro de aproximadamente 400 m. Las teselas son un grupo hexagonal con antenas en fase analógica. El telescopio puede captar frecuencias de radio en el rango de 10 a 85 MHz, cubriendo también el rango de banda baja LOFAR (30 a 80 MHz). El conjunto NenuFAR puede funcionar como una estación super-LBA (LSS) compatible con LOFAR de alta sensibilidad, que opera junto con el resto de LOFAR para aumentar la sensibilidad global del conjunto en casi un factor de dos y mejorar las capacidades de obtención de imágenes del conjunto. También puede funcionar como un segundo supernúcleo para mejorar la disponibilidad del conjunto. Gracias a su receptor dedicado, NenuFAR también puede funcionar como un instrumento independiente, conocido como NenuFAR/Standalone en este modo. [18] [19]
Además, se ha desplegado un conjunto de antenas LOFAR en el KAIRA (Kilpisjärvi Atmospheric Imaging Receiver Array) cerca de Kilpisjärvi , Finlandia . Esta instalación funciona como receptor VHF en modo independiente o como parte de un sistema de radar biestático junto con el transmisor EISCAT en Tromsø . [20]
Los requisitos de transporte de datos están en el rango de varios gigabits por segundo por estación y la potencia de procesamiento necesaria es de varias decenas de TeraFLOPS . Los datos de LOFAR se almacenan en el archivo de largo plazo de LOFAR. [21] El archivo se implementa como almacenamiento distribuido, con datos repartidos en el centro de datos Target ubicado en el Centro Donald Smits para Tecnología de la Información en la Universidad de Groningen , el centro SURFsara en Ámsterdam y el Forschungszentrum Jülich en Alemania.
La misión de LOFAR es mapear el Universo en frecuencias de radio de ~10–240 MHz con mayor resolución y mayor sensibilidad que los estudios anteriores, como los estudios 7C y 8C , y los estudios del Very Large Array (VLA) y el Giant Meterwave Radio Telescope (GMRT) .
LOFAR será el observatorio de radio más sensible en sus bajas frecuencias de observación hasta que el Square Kilometre Array (SKA) entre en funcionamiento a finales de la década de 2020. Incluso entonces, el SKA solo observará en frecuencias >50 MHz y la resolución angular de LOFAR seguirá siendo muy superior.
Las sensibilidades y resoluciones espaciales alcanzables con LOFAR hacen posible varios estudios nuevos y fundamentales del Universo, además de facilitar investigaciones prácticas únicas del entorno terrestre. En la siguiente lista, el término z es una cantidad adimensional que indica el corrimiento al rojo de las fuentes de radio observadas por LOFAR.
Una de las aplicaciones más apasionantes, pero técnicamente más desafiantes, de LOFAR será la búsqueda de emisiones de líneas de 21 cm desplazadas al rojo de la época de reionización (EoR). [23] Se cree que la "Edad Oscura", el período posterior a la recombinación cuando el Universo se volvió neutral, duró hasta aproximadamente z=20. Los resultados de polarización de WMAP parecen sugerir que puede haber habido fases extendidas, o incluso múltiples, de reionización, cuyo inicio posiblemente fue alrededor de z~15-20 y terminó en z~6. Usando LOFAR, se puede investigar el rango de desplazamiento al rojo desde z=11.4 (115 MHz) a z=6 (200 MHz). La señal esperada es pequeña, y separarla de la emisión de primer plano mucho más fuerte es un desafío.
Una de las aplicaciones más importantes de LOFAR será la realización de sondeos de cielo de gran tamaño. Estos sondeos se adaptan bien a las características de LOFAR y han sido designados como uno de los proyectos clave que han impulsado a LOFAR desde su inicio. Estos sondeos profundos de LOFAR del cielo accesible en varias frecuencias proporcionarán catálogos únicos de fuentes de radio para investigar varias áreas fundamentales de la astrofísica, incluida la formación de agujeros negros masivos , galaxias y cúmulos de galaxias. Debido a que los sondeos de LOFAR sondearán un parámetro inexplorado del Universo, es probable que descubran nuevos fenómenos. En febrero de 2021, los astrónomos publicaron, por primera vez, una imagen de muy alta resolución de 25.000 agujeros negros supermasivos activos , que cubren el cuatro por ciento del hemisferio celeste norte , basada en longitudes de onda de radio ultrabajas , detectadas por LOFAR. [24]
La combinación de bajas frecuencias, antenas omnidireccionales, transporte de datos a alta velocidad y computación significa que LOFAR abrirá una nueva era en el monitoreo del cielo de radio. Será posible hacer mapas de radio sensibles de todo el cielo visible desde los Países Bajos (alrededor del 60% del cielo total) en solo una noche. Se descubrirán fenómenos de radio transitorios, solo insinuados por estudios de campo estrecho anteriores, se localizarán rápidamente con una precisión sin precedentes y se compararán automáticamente con datos de otras instalaciones (por ejemplo, observatorios de rayos gamma, ópticos y de rayos X). Estos fenómenos transitorios pueden estar asociados con estrellas en explosión, agujeros negros, llamaradas en estrellas similares al Sol, ráfagas de radio de exoplanetas o incluso señales SETI . [25] Además, este proyecto científico clave realizará un estudio profundo de púlsares de radio en frecuencias de radio bajas e intentará detectar ráfagas de radio gigantes de estrellas de neutrones en rotación en galaxias distantes.
LOFAR ofrece una posibilidad única en física de partículas para estudiar el origen de los rayos cósmicos de alta y ultra alta energía (HECR y UHECR) a energías entre 1015 –1020,5 eV. [26] Se desconocen tanto los sitios como los procesos de aceleración de partículas. Las posibles fuentes candidatas de estos HECR son los choques en los lóbulos de radio de las radiogalaxias potentes, los choques intergalácticos creados durante la época de formación de las galaxias, las llamadas hipernovas, los estallidos de rayos gamma o los productos de desintegración de partículas supermasivas a partir de defectos topológicos, que quedan de las transiciones de fase en el universo temprano. El observable principal es el intenso pulso de radio que se produce cuando un CR primario golpea la atmósfera y produce una extensa lluvia de aire (EAS). Una EAS está alineada a lo largo de la dirección de movimiento de la partícula primaria, y una parte sustancial de su componente consiste en pares electrón-positrón que emiten emisiones de radio en la magnetosfera terrestre (por ejemplo, emisión de geosincrotrón).
LOFAR abre la ventana a las ondas de radio de sincrotrón de baja energía, hasta ahora inexploradas, emitidas por electrones de rayos cósmicos en campos magnéticos débiles. Se sabe muy poco sobre el origen y la evolución de los campos magnéticos cósmicos. El espacio alrededor de las galaxias y entre galaxias puede ser magnético, y LOFAR puede ser el primero en detectar emisiones de radio débiles de dichas regiones. LOFAR también medirá el efecto Faraday , que es la rotación del plano de polarización de las ondas de radio de baja frecuencia, y proporciona otra herramienta para detectar campos magnéticos débiles. [27]
El Sol es una fuente intensa de radio. La radiación térmica ya fuerte de los 10La corona solar caliente de 6 Kse ve superpuesta por intensas ráfagas de radio que están asociadas con fenómenos de la actividad solar, como erupciones y eyecciones de masa coronal (CME). La radiación de radio solar en el rango de frecuencia LOFAR se emite en la corona media y superior. Por lo tanto, LOFAR es un instrumento ideal para los estudios del lanzamiento de CME que se dirigen al espacio interplanetario. Las capacidades de imagen de LOFAR proporcionarán información sobre si tales CME podrían impactar la Tierra. Esto hace que LOFAR sea un instrumento valioso para los estudios del clima espacial .
Las observaciones solares con LOFAR incluirán el monitoreo rutinario de la actividad solar como la raíz del clima espacial. Además, la flexibilidad de LOFAR permite respuestas rápidas a las explosiones de radio solares con observaciones de seguimiento. Las erupciones solares producen electrones energéticos que no solo conducen a la emisión de radiación solar de radio no térmica. Los electrones también emiten rayos X y calientan el plasma ambiental. Por lo tanto, las campañas de observación conjuntas con otros instrumentos terrestres y espaciales, por ejemplo, RHESSI , Hinode , el Observatorio de Dinámica Solar (SDO) y, eventualmente, el Telescopio Solar de Tecnología Avanzada y el Solar Orbiter, brindan información sobre este proceso astrofísico fundamental.
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A principios de los años 90, el Instituto Holandés de Radioastronomía ( ASTRON ) se dedicó activamente a estudiar la tecnología de radiotelescopios de apertura para la radioastronomía . Al mismo tiempo, en ASTRON y en las universidades holandesas empezó a surgir un interés científico por un radiotelescopio de baja frecuencia. En 1999 se llevó a cabo un estudio de viabilidad y se buscaron socios internacionales. En 2000, la Junta Directiva de ASTRON creó el Comité Directivo de LOFAR de los Países Bajos, con representantes de todos los departamentos universitarios holandeses interesados y de ASTRON.
En noviembre de 2003, el Gobierno holandés asignó 52 millones de euros para financiar la infraestructura de LOFAR en el marco del programa Bsik. De conformidad con las directrices de Bsik, LOFAR se financió como un conjunto de sensores multidisciplinarios para facilitar la investigación en geofísica , informática y agricultura , así como en astronomía .
En diciembre de 2003 entró en funcionamiento la estación de pruebas inicial (ITS) de LOFAR. El sistema ITS consta de 60 dipolos en forma de V invertida; cada dipolo está conectado a un amplificador de bajo ruido (LNA), que proporciona suficiente amplificación de las señales entrantes para transportarlas por un cable coaxial de 110 m de longitud hasta la unidad receptora (RCU).
El 26 de abril de 2005 se instaló en el centro de matemáticas de la Universidad de Groningen un superordenador IBM Blue Gene/L para el procesamiento de datos de LOFAR . En aquel momento era el segundo superordenador más potente de Europa , después del MareNostrum de Barcelona . [28] Desde 2014 un clúster de computación aún más potente (correlacionador) llamado COBALT realiza la correlación de señales de todas las estaciones individuales. [29]
En agosto/septiembre de 2006 se puso en marcha la primera estación LOFAR ( estación central CS001 , también conocida como CS1 52°54′32″N 6°52′8″E / 52.90889, -6.86889 ) utilizando hardware de preproducción. Un total de 96 antenas de doble dipolo (el equivalente a una estación LOFAR completa) se agrupan en cuatro grupos, el grupo central con 48 dipolos y otros tres grupos con 16 dipolos cada uno. Cada grupo tiene un tamaño de unos 100 m. Los grupos se distribuyen en un área de ~500 m de diámetro.
En noviembre de 2007, la primera estación internacional LOFAR ( DE601 ), situada junto al radiotelescopio Effelsberg de 100 m, se convirtió en la primera estación operativa. La primera estación totalmente completa ( CS302 ), situada en el borde del núcleo LOFAR, se entregó en mayo de 2009, y está previsto que en 2013 se completen un total de 40 estaciones holandesas. En 2014, estaban operativas 38 estaciones en los Países Bajos, cinco estaciones en Alemania (Effelsberg, Tautenburg, Unterweilenbach, Bornim/Potsdam y Jülich), una en el Reino Unido (Chilbolton), una en Francia (Nançay) y una en Suecia (Onsala).
El LOFAR fue inaugurado oficialmente el 12 de junio de 2010 por la Reina Beatriz de los Países Bajos. [30] Las observaciones periódicas comenzaron en diciembre de 2012. [ cita requerida ]
