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 del Telescopio Internacional LOFAR (ILT) por ASTRON.
LOFAR consta de una amplia gama 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 conjunto . En cambio, las antenas dipolo LOFAR (de dos tipos) se distribuyen en estaciones, dentro de las cuales las señales de las antenas se pueden combinar parcialmente en electrónica analógica, luego digitalizarse y luego combinarse nuevamente en toda la estación. Este enfoque gradual 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 un software para emular un plato de radiotelescopio convencional con un poder de resolución correspondiente a la mayor distancia entre las estaciones de antena en toda Europa. LOFAR es, por 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 y se construyen con financiación regional y nacional. Las seis estaciones están en Alemania , tres en Polonia y una en Francia , Gran Bretaña , Irlanda , Letonia y Suecia , con diversas financiación y propiedad a nivel nacional, regional y local. Italia se unió oficialmente al Telescopio Internacional LOFAR (ILT) en 2018; La construcción del observatorio INAF en Medicina , cerca de Bolonia , está prevista tan pronto como esté disponible el hardware actualizado (el llamado LOFAR2.0). [1] Otras estaciones en otros países europeos se encuentran en distintas etapas de planificación. El área de recolección efectiva total es de aproximadamente 300.000 metros cuadrados, dependiendo de la frecuencia y la configuración de la antena. [2] Hasta 2014, el procesamiento de datos se realizaba mediante una supercomputadora Blue Gene/P ubicada en los Países Bajos en la Universidad de Groningen . Desde 2014, LOFAR utiliza un correlador y formador de haces basado en GPU, COBALT, para esa tarea. [3] LOFAR también es un pionero en tecnología y ciencia para Square Kilometer Array .
LOFAR fue concebido como un esfuerzo innovador para forzar un avance en la sensibilidad de las observaciones astronómicas en radiofrecuencias por debajo de 250 MHz. Los radiointerferómetros astronómicos suelen consistir en conjuntos de antenas parabólicas (p. ej., el One-Mile Telescope o el Very Large Array ), conjuntos de antenas unidimensionales (p. ej., el Telescopio de Síntesis del Observatorio Molonglo ) o conjuntos bidimensionales de antenas omnidireccionales (p. ej., Antony Matriz de centelleo interplanetario de 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 del 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, y el mapeo se realiza utilizando un software de síntesis de apertura. . La dirección de observación ("haz") de las estaciones se elige electrónicamente mediante retardos de fase entre las antenas. LOFAR puede observar en varias direcciones simultáneamente, siempre que la velocidad de datos agregada se mantenga por debajo de su límite. En principio, esto permite un funcionamiento 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 un software para mapear el cielo. Por 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 principalmente 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 en el conjunto LOFAR. [4]
Para realizar estudios de radio del cielo con la resolución adecuada, las antenas están dispuestas en grupos que se extienden sobre un área de más de 1.000 km de diámetro. Las estaciones LOFAR en los Países Bajos alcanzan líneas de base de unos 100 km. LOFAR actualmente recibe 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 LOFAR internacionales son:
El telescopio NenuFAR está ubicado junto al radiotelescopio de Nançay . Se trata de una extensión de la estación LOFAR de Nançay (FR606), añadiendo 96 mosaicos de baja frecuencia, cada uno de los cuales consta de un "mini-array" de 19 antenas de dipolo cruzado, distribuidas en un círculo con un diámetro de aproximadamente 400 m. Los mosaicos son un grupo hexagonal con antenas en fase analógica. El telescopio puede capturar 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, operando junto con el resto de LOFAR para aumentar la sensibilidad global del conjunto en casi un factor de dos y mejorar las capacidades de generación de imágenes del conjunto. También puede funcionar como un segundo supernúcleo para mejorar la disponibilidad de la matriz. Debido a su receptor dedicado, NenuFAR también puede funcionar como un instrumento independiente, conocido como NenuFAR/Standalone en este modo. [18] [19]
Además, un conjunto de antenas LOFAR está desplegado en KAIRA (Kilpisjärvi Atmospheric Imaging Receiver Array) cerca de Kilpisjärvi , Finlandia . Esta instalación funciona como receptor VHF ya sea en modo autónomo 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 a largo plazo de LOFAR. [21] El archivo se implementa como almacenamiento distribuido, con datos distribuidos en el centro de datos Target ubicado en el Centro Donald Smits de Tecnología de la Información de 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 a 240 MHz con mayor resolución y mayor sensibilidad que los estudios anteriores, como los estudios 7C y 8C , y los estudios realizados por Very Large Array (VLA) y Giant Meterwave Radio. Telescopio (GMRT) .
LOFAR será el radioobservatorio más sensible en sus bajas frecuencias de observación hasta que el Square Kilometer Array (SKA) entre en funcionamiento a finales de la década de 2020. Incluso entonces, el SKA sólo 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 medio ambiente de la Tierra. En la siguiente lista, el término z es una cantidad adimensional que indica el corrimiento al rojo de las fuentes de radio vistas por LOFAR.
Una de las aplicaciones más interesantes, pero técnicamente más desafiante, de LOFAR será la búsqueda de emisiones lineales desplazadas al rojo de 21 cm 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 la polarización WMAP parecen sugerir que puede haber habido fases extendidas, o incluso múltiples, de reionización, posiblemente comenzando alrededor de z~15-20 y terminando en z~6. Usando LOFAR, se puede probar el rango de corrimiento al rojo de z=11,4 (115 MHz) a z=6 (200 MHz). La señal esperada es pequeña y desenredarla de la emisión del primer plano, mucho más fuerte, es un desafío.
Una de las aplicaciones más importantes de LOFAR será la realización de estudios de cielos grandes. Estas encuestas se adaptan bien a las características de LOFAR y han sido designadas como uno de los proyectos clave que han impulsado a LOFAR desde sus inicios. Estos estudios LOFAR profundos 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. Dado que los estudios LOFAR explorarán 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 , según lo detectado por LOFAR. [24]
La combinación de bajas frecuencias, antenas omnidireccionales, transporte de datos de alta velocidad e informática significa que LOFAR abrirá una nueva era en la monitorización del cielo radioeléctrico. En tan sólo una noche será posible hacer visibles mapas de radio sensibles de todo el cielo desde los Países Bajos (aproximadamente el 60% de todo el cielo). Se descubrirán fenómenos de radio transitorios, sólo insinuados en estudios previos de campo estrecho, que 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 explosiones de estrellas, agujeros negros, llamaradas en estrellas similares al Sol, explosiones de radio de exoplanetas o incluso señales SETI . [25] Además, este proyecto científico clave realizará un estudio profundo de los púlsares de radio en bajas frecuencias de radio e intentará detectar explosiones 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 para acelerar las partículas. Las posibles fuentes candidatas de estas HECR son choques en lóbulos de radio de poderosas radiogalaxias, choques intergalácticos creados durante la época de formación de galaxias, las llamadas hipernovas, explosiones de rayos gamma o productos de desintegración de partículas supermasivas debido a defectos topológicos. restos de las transiciones de fase en el Universo temprano. El principal observable es el intenso pulso de radio que se produce cuando un CR primario golpea la atmósfera y produce una extensa lluvia de aire (EAS). Un EAS está alineado a lo largo de la dirección del 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 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. Es posible que todo el espacio alrededor de las galaxias y entre ellas sea magnético, y LOFAR puede ser el primero en detectar emisiones de radio débiles desde 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 intensa fuente de radio. La ya fuerte radiación térmica del 10La corona solar caliente de 6 K está superpuesta por intensas ráfagas de radio que están asociadas con fenómenos de la actividad solar, como llamaradas 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 tanto, LOFAR es un instrumento ideal para estudios del lanzamiento de CME que se dirigen al espacio interplanetario. Las capacidades de obtención de imágenes de LOFAR brindarán información sobre si dichas CME podrían chocar contra la Tierra. Esto hace que LOFAR sea un instrumento valioso para los estudios de la meteorología espacial .
Las observaciones solares con LOFAR incluirán un seguimiento rutinario de la actividad solar como raíz del clima espacial. Además, la flexibilidad de LOFAR permite respuestas rápidas a las ráfagas de radio solares con observaciones de seguimiento. Las erupciones solares producen electrones energéticos que no sólo provocan la emisión de radiación de radio solar no térmica. Los electrones también emiten rayos X y calientan el plasma ambiental. Por ello, las campañas de observación conjunta con otros instrumentos terrestres y espaciales, como por ejemplo RHESSI , Hinode , el Observatorio de Dinámica Solar (SDO) y, eventualmente, el Telescopio Solar de Tecnología Avanzada y el Solar Orbiter, proporcionan información sobre este proceso astrofísico fundamental.
.JPG/1280px-Zernikeborg_(Zernikecomplex).JPG)
A principios de la década de 1990, ASTRON , el Instituto Holandés de Radioastronomía, estudiaba activamente la tecnología de conjuntos de apertura para radioastronomía . Al mismo tiempo, en ASTRON y en las universidades holandesas comenzó a surgir el interés científico por un radiotelescopio de baja frecuencia. Durante 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 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 acuerdo 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, la Estación de Prueba Inicial (ITS) de LOFAR entró en funcionamiento. El sistema ITS consta de 60 dipolos en forma de V inversa; Cada dipolo está conectado a un amplificador de bajo ruido (LNA), que proporciona suficiente amplificación de las señales entrantes para transportarlas a través de un cable coaxial de 110 m de longitud hasta la unidad receptora (RCU).
El 26 de abril de 2005, se instaló una supercomputadora IBM Blue Gene/L en el centro de matemáticas de la Universidad de Groningen para el procesamiento de datos de LOFAR . En aquel momento era el segundo superordenador más potente de Europa , tras el MareNostrum de Barcelona . [28] Desde 2014, un clúster informático (correlador) aún más potente llamado COBALT realiza la correlación de señales de todas las estaciones individuales. [29]
En agosto/septiembre de 2006, la primera estación LOFAR ( Core Station CS001 , también conocida como CS1 52°54′32″N 6°52′8″E / 52.90889°N 6.86889°E / 52.90889; 6.86889 ) se colocó en el campo utilizando hardware de preproducción. Un total de 96 antenas de doble dipolo (el equivalente a una estación LOFAR completa) están agrupadas 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 ), junto al radiotelescopio de Effelsberg de 100 m, se convirtió en la primera estación operativa. La primera estación completamente completa, ( CS302 ), en el borde del núcleo LOFAR, se entregó en mayo de 2009, y está previsto completar un total de 40 estaciones holandesas en 2013. En 2014, 38 estaciones en los Países Bajos y cinco estaciones en Alemania ( Effelsberg, Tautenburg, Unterweilenbach, Bornim/Potsdam y Jülich), y uno en el Reino Unido (Chilbolton), en Francia (Nançay) y en Suecia (Onsala).
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 necesaria ]
