MeerKAT , originalmente el Karoo Array Telescope , es un radiotelescopio que consta de 64 antenas en el Parque Nacional Meerkat , en el Cabo Norte de Sudáfrica. En 2003, Sudáfrica presentó una manifestación de interés para albergar el radiotelescopio Square Kilometre Array (SKA) en África, y el MeerKAT, diseñado y construido localmente, se incorporó a la primera fase del SKA. MeerKAT se lanzó en 2018.
Junto con el Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), también en Sudáfrica, y dos radiotelescopios en Australia Occidental , el Australian SKA Pathfinder (ASKAP) y el Murchison Widefield Array (MWA), el MeerKAT es uno de los cuatro precursores del SKA final.
MeerKAT es un precursor del conjunto SKA-mid, al igual que el conjunto Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), el Australian SKA Pathfinder (ASKAP) y el Murchison Widefield Array (MWA). [1]
Está ubicado en el sitio SKA en Karoo y es un pionero en las tecnologías y la ciencia de SKA-mid. Fue diseñado por ingenieros del Observatorio de Radioastronomía de Sudáfrica y de industrias sudafricanas, y la mayor parte del hardware y el software se obtuvieron en Sudáfrica. Está compuesto por 64 antenas, cada una de 13,5 m de diámetro, equipadas con receptores criogénicos. Las antenas tienen posiciones para cuatro receptores, y una de las tres posiciones vacantes se llenará con receptores de banda S proporcionados por el Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR). La configuración del conjunto tiene el 61% de las antenas ubicadas dentro de un círculo de 1 km de diámetro, y el 39% restante distribuido en un radio de 4 km. [ cita requerida ]
Las salidas del receptor se digitalizan inmediatamente en la antena y los flujos de datos digitales se transportan al edificio del procesador de matriz Karoo (KAPB) a través de fibras ópticas enterradas. Las señales de la antena son procesadas por el procesador de señales digitales Correlator/Beamformer (CBF). Los datos del CBF se transmiten al grupo de computadoras del procesador científico y a los módulos de almacenamiento en disco. Los datos de la antena MeerKAT también se ponen a disposición de una serie de backends digitales suministrados por el usuario a través del CBF, incluidos los motores de búsqueda de púlsares y ráfagas rápidas de radio (FRB), un sistema de cronometraje de púlsares de precisión y un procesador de señales SETI . Un sistema de referencia de tiempo y frecuencia (TFR) proporciona señales de reloj y tiempo absoluto requeridas por los digitalizadores y otros subsistemas del telescopio. Este sistema TFR comprende dos relojes máser de hidrógeno, dos relojes atómicos de rubidio, un oscilador de cristal preciso y un conjunto de sistemas de receptores GNSS para la transferencia de tiempo con UTC. [ cita requerida ]
Los sistemas de computación masiva y procesamiento de señales digitales ubicados en el KAPB están alojados en una gran cámara blindada (o jaula de Faraday ) para evitar que las señales de radio del equipo interfieran con los sensibles receptores de radio. El propio KAPB está parcialmente enterrado bajo el nivel del suelo para proporcionar protección adicional contra interferencias de radiofrecuencia (RFI) y para proporcionar estabilidad de temperatura. El KAPB también alberga una instalación de acondicionamiento de energía para todo el sitio, incluidas tres unidades UPS rotativas diésel que proporcionan un suministro de energía ininterrumpido a todo el sitio. [2]
Una fibra óptica de largo alcance transfiere datos desde el KAPB al Centro de Computación de Alto Rendimiento (CHPC) y a la oficina de SARAO en Ciudad del Cabo, y proporciona un enlace de control y monitoreo al centro de operaciones de SARAO en Ciudad del Cabo. El procesamiento y la reducción de datos del telescopio se ejecutan en instalaciones de cómputo proporcionadas por los sistemas MeerKAT SP y en otras instalaciones de cómputo de alto rendimiento proporcionadas por los usuarios de MeerKAT. [ cita requerida ]
MeerKAT, inaugurado en julio de 2018 [3], consta de 64 antenas parabólicas de 13,5 metros de diámetro cada una con una configuración gregoriana descentrada . [4] Se ha elegido una configuración de antena parabólica descentrada porque su apertura sin bloqueos proporciona un rendimiento óptico y una sensibilidad sin concesiones, una calidad de imagen excelente y un buen rechazo de las interferencias de radiofrecuencia no deseadas de los satélites y los transmisores terrestres. También facilita la instalación de múltiples sistemas receptores en las áreas focales primaria y secundaria y es el diseño de referencia para el concepto SKA de banda media. [5]
MeerKAT admite una amplia gama de modos de observación, incluidos el continuo profundo, la polarización y la obtención de imágenes de líneas espectrales , la temporización de púlsares y las búsquedas transitorias. Se proporciona una gama de productos de datos estándar, incluido un canal de obtención de imágenes. También hay disponibles varios "espigos de datos" para respaldar la instrumentación proporcionada por el usuario. Se planean importantes esfuerzos de diseño y calificación para garantizar una alta confiabilidad para lograr un bajo costo operativo y una alta disponibilidad.
Los 64 platos de MeerKAT se distribuyen en dos componentes:
Para adquirir experiencia en la construcción de telescopios interferométricos, los miembros del Karoo Array Telescope construyeron el Demostrador Experimental en Fases (PED) en el Observatorio Astronómico Sudafricano en Ciudad del Cabo entre 2005 y 2007. [6]
Durante 2007, se construyó el Telescopio Modelo de Desarrollo Experimental (XDM) de 15 metros (49 pies) en el Observatorio de Radioastronomía Hartebeesthoek para que sirviera como banco de pruebas para MeerKAT. [7]
La construcción del conjunto de precursores MeerKAT (MPA, también conocido como KAT-7) en este sitio comenzó en agosto de 2009. [8] En abril de 2010, cuatro de las siete primeras antenas se conectaron entre sí como un sistema integrado para producir su primera imagen interferométrica de un objeto astronómico. En diciembre de 2010, se detectaron con éxito franjas de interferometría de línea de base muy largas (VLBI) entre la antena de 26 m del Observatorio de Radioastronomía Hartebeesthoek y una de las antenas KAT-7. [9]
A pesar de los planes originales de completar MeerKAT en 2012, [10] la construcción se suspendió a fines de 2010 debido a una reestructuración presupuestaria. La Ministra de Ciencia, Naledi Pandor, negó que la suspensión marcara un revés para el proyecto SKA o "consideraciones externas". [11] La construcción de MeerKAT no recibió fondos en 2010/11 y 2011/12. [12] El Presupuesto Nacional Sudafricano de 2012 proyectó que solo 15 antenas MeerKAT estarían completadas para 2015. [13]
El último de los cimientos de hormigón armado para las antenas MeerKAT se completó el 11 de febrero de 2014. Se utilizaron casi 5000 m3 de hormigón y más de 570 toneladas de acero para construir las 64 bases en un período de 9 meses. [14]
Está previsto que MeerKAT se complete en tres fases. La primera fase incluirá todas las antenas, pero solo se instalará el primer receptor. Se dispone de un ancho de banda de procesamiento de 750 MHz. Para la segunda y tercera fases, se instalarán los dos receptores restantes y se aumentará el ancho de banda de procesamiento a al menos 2 GHz, con el objetivo de alcanzar los 4 GHz. Una vez finalizada la construcción de las sesenta y cuatro antenas de MeerKAT, han comenzado las pruebas de verificación para garantizar que los instrumentos funcionan correctamente. [15] Después de esto, MeerKAT se pondrá en funcionamiento en la segunda mitad de 2018 y el conjunto entrará en funcionamiento para las operaciones científicas.
El 13 de julio de 2018, el vicepresidente de Sudáfrica, David Mabuza , inauguró el telescopio MeerKAT y reveló una imagen producida por MeerKAT que reveló detalles sin precedentes de la región que rodea al agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Las 64 antenas MeerKAT se incorporarán a la Fase 1 del Sistema de Frecuencia Media de SKA una vez que se hayan construido y puesto en funcionamiento las 133 antenas SKA en el sitio Karoo, lo que dará como resultado un total de 197 antenas para el sistema SKA. Toda la infraestructura actualmente asociada con MeerKAT se transferirá al sistema SKA. El KAPB tiene capacidad para albergar el equipo adicional requerido por SKA Mid.
Los objetivos científicos de los sondeos de MeerKAT coinciden con los principales impulsores científicos de la primera fase del SKA , lo que confirma la designación de MeerKAT como instrumento precursor del SKA. Se han asignado cinco años de tiempo de observación en MeerKAT a los astrónomos destacados que han solicitado tiempo para realizar investigaciones.
El Departamento de Ciencia y Tecnología de Sudáfrica, a través de la NRF y la SARAO, ha invertido más de 760 millones de rands en infraestructura en el sitio SKA de Sudáfrica. El diseño y la ingeniería innovadores de la infraestructura establecida para MeerKAT, así como el entorno silencioso para RFI, las características físicas favorables del sitio y la experiencia técnica in situ han posicionado al sitio en el Karoo como un lugar ideal para otros experimentos de radioastronomía.
El radiotelescopio HERA (Hydrogen Epoch of Reionisation Array) es uno de esos instrumentos, ubicado en el sitio SKA de Sudáfrica. HERA está diseñado para detectar, por primera vez, señales de radio de las primeras estrellas y galaxias que se formaron en los albores de la vida del universo. Ingenieros y científicos sudafricanos están trabajando con sus colegas de la Universidad de California en Berkeley (EE. UU.) y la Universidad de Cambridge (Reino Unido) para construir HERA y explotar sus capacidades científicas únicas y fundamentales.
Otros experimentos que se han construido en el sitio SA SKA incluyen PAPER (el Precision Array for Probing the Epoch of Reionization ) y C-BASS (el C-Band All Sky Survey).
Para garantizar la viabilidad a largo plazo del sitio Karoo para el MeerKAT y el SKA, y para otros instrumentos de radioastronomía, el Parlamento sudafricano aprobó en 2007 la Ley de Ventaja Geográfica para la Astronomía. La ley otorga al Ministro de Ciencia y Tecnología la autoridad para proteger, mediante reglamentaciones, áreas que son de importancia nacional estratégica para la astronomía y los esfuerzos científicos relacionados.
En septiembre de 2019, un equipo internacional de astrónomos que utilizó el radiotelescopio MeerKAT de Sudáfrica descubrió enormes estructuras similares a globos que se elevan cientos de años luz por encima y por debajo del centro de nuestra galaxia. [16]
La experiencia adquirida por los ingenieros sudafricanos en el diseño y la construcción de MeerKAT se ha trasladado al diseño de SKA, lo que ha reducido los riesgos y los costes de desarrollo. Los ingenieros sudafricanos de SARAO y los socios industriales sudafricanos han participado en 7 de los 11 consorcios de diseño de ingeniería de SKA, aportando aproximadamente el 10% de la fuerza de trabajo en estos consorcios distribuidos internacionalmente. El Consorcio de Infraestructura de Sudáfrica y el Consorcio de Ensamblaje, Integración y Verificación (AIV) han sido dirigidos por SARAO, y hubo participación sudafricana en el Consorcio DISH, el Consorcio de Procesadores de Datos Científicos (SDP), el Consorcio de Transporte de Señales y Datos (SaDT), el Consorcio Telescopio (TM) y el Consorcio de Matriz de Apertura de Frecuencia Media. Los ingenieros sudafricanos han supervisado los aspectos de ingeniería de sistemas de 5 de los consorcios. SARAO ha firmado un memorando de entendimiento con SKAO para proporcionar recursos a las Actividades de Enlace que continuarán el desarrollo de los subsistemas de SKA ahora que los consorcios han concluido su trabajo. La participación de socios industriales sudafricanos en trabajos anteriores del consorcio y en futuras actividades de enlace es facilitada por SARAO a través de la iniciativa de financiación del Programa de Asistencia Financiera (FAP).
Los científicos de SARAO y de las universidades sudafricanas están bien representados en los diversos grupos de trabajo científicos (SWG) de SKA, y aproximadamente el 10 % de los autores de los artículos del SKA Science Book tienen afiliaciones a instituciones sudafricanas. Los grandes proyectos científicos (LSP) de MeerKAT están estrechamente alineados con el caso científico de SKA, y existe una gran superposición de miembros entre los equipos de LSP y los SWG asociados.
En 2005, la SARAO inició un programa de desarrollo de capacidades para crear las capacidades necesarias para diseñar, construir y operar los telescopios SKA y MeerKAT, y para hacer un uso óptimo de estos radiotelescopios para la investigación una vez que se pusieran en funcionamiento. El programa está totalmente integrado en las operaciones de la SARAO y está diseñado para desarrollar y retener a los investigadores, ingenieros y artesanos necesarios para garantizar que el MeerKAT y el SKA tengan éxito en Sudáfrica. Hasta la fecha, el programa ha proporcionado más de 1000 becas y ayudas en todos los niveles académicos pertinentes y para una variedad de calificaciones relevantes. El programa es codiciado por colegas académicos del extranjero debido a su éxito en el desarrollo, a partir de una base baja, de una importante experiencia en radioastronomía durante los últimos 14 años. [ cita requerida ]
La Red Africana de Interferometría de Línea de Base Muy Larga (AVN) es un avance importante en la construcción de la SKA en el continente africano. El programa AVN transferirá habilidades y conocimientos a los países africanos socios de la SKA (Botsuana, Ghana, Kenia, Madagascar, Mauricio, Mozambique, Namibia y Zambia) para construir, mantener, operar y utilizar radiotelescopios.
MeerKAT también participará en operaciones globales de VLBI con todos los principales observatorios de radioastronomía del mundo y aumentará considerablemente la sensibilidad de la red global de VLBI. Otros objetivos científicos potenciales de MeerKAT son participar en la búsqueda de inteligencia extraterrestre y colaborar con la NASA en la descarga de información de sondas espaciales.
