El Square Kilometre Array ( SKA ) es un proyecto intergubernamental internacional de radiotelescopios que se está construyendo en Australia (baja frecuencia) y Sudáfrica (media frecuencia). La infraestructura que lo combina, el Observatorio del Square Kilometre Array (SKAO) y la sede central, se encuentran en el Observatorio Jodrell Bank en el Reino Unido. Los núcleos del SKA se están construyendo en el hemisferio sur , donde la visión de la Vía Láctea es mejor y las interferencias de radio son mínimas.
Concebido en la década de 1990 y desarrollado y diseñado a fines de la década de 2010, cuando se complete 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 planeado, debería poder inspeccionar 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 mi) desde un núcleo central concentrado, aprovechará la capacidad de la radioastronomía para proporcionar las imágenes de mayor resolución en toda la astronomía.
El consorcio SKAO fue fundado en Roma en marzo de 2019 por siete países miembros iniciales, a los que se unieron posteriormente varios más; en 2021, [actualizar]el consorcio contaba con 14 miembros. Esta organización internacional se encarga de construir y operar la instalación. El proyecto tiene dos fases de construcción: la actual SKA1, comúnmente llamada 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 Kilometre Array (SKA) fue concebido originalmente en 1991 por un grupo de trabajo internacional creado en 1993. Esto condujo a la firma del primer Memorando de Acuerdo en 2000. [1]
En los primeros días de planificación, China compitió para albergar el SKA, proponiendo construir varias antenas 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 Cuadrada Kilométrica (KARST). [2] [3]
El proyecto tiene dos fases de construcción: la actual SKA1, comúnmente llamada 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 un conjunto operativo, con la finalización de la Fase 2 en 2025. [ cita requerida ]
En febrero de 2012, un ex presidente del Comité SKA australiano [ aclaración necesaria ] expresó sus preocupaciones a los medios de comunicación sudafricanos sobre los riesgos en el sitio candidato australiano, particularmente en términos de costo, interferencia minera y acuerdos de tierras. SKA Australia afirmó que todos los puntos se habían abordado en la oferta del sitio. [9] En marzo de 2012 se informó que el Comité Asesor del Sitio SKA había realizado un informe confidencial en febrero que decía que la oferta sudafricana era más fuerte. [10] Sin embargo, se creó un grupo de trabajo científico para explorar las 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 entre los sitios sudafricanos y 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 que la sede del proyecto SKA se ubicara en el Observatorio de Jodrell Bank en el Reino Unido, [14] [15] inaugurado oficialmente en julio de 2019. [ cita requerida ]
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 del Conjunto de Kilómetros Cuadrados (SKAO): Australia, China, Italia, Países Bajos, Portugal, Sudáfrica y Reino Unido. Se espera que en breve se sumen India y Suecia, y otros ocho países han expresado su interés en sumarse en el futuro. Esta organización internacional se encargó 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. [16]
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 ceremonias para celebrar el evento. [20] La parte australiana del proyecto comprende 100.000 antenas construidas a lo largo de 74 km (46 mi), también en la región de Murchison , en las tierras tradicionales del pueblo aborigen Wajarri . Se esperaba que las excavadoras comenzaran a trabajar en el sitio a principios de 2023, [ necesita actualización ] y la fecha de finalización se estima en 2028. El sitio ha sido nombrado Inyarrimanha Ilgari Bundara , que significa ' compartir el cielo y las 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 Kilometre 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 crore, que marca el paso inicial hacia la ratificación como estado miembro. [23]
Descripción
Países que participaron en la fase preparatoria del SKA [24]
El SKA combinará las señales recibidas de miles de pequeñas antenas distribuidas en una distancia de varios miles de kilómetros para simular un único radiotelescopio gigante capaz de 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 hará posible estudiar áreas muy grandes del cielo a la vez. [26] Un desarrollo innovador es el uso de conjuntos 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 que varios usuarios observen diferentes partes del cielo simultáneamente, lo que es útil para (por ejemplo) monitorear múltiples púlsares. La combinación de un FOV muy grande con alta sensibilidad significa que el SKA podrá compilar estudios extremadamente grandes del cielo considerablemente más rápido que cualquier otro telescopio. [28]
El SKA combinado proporcionará una amplia gama de cobertura, con el Murchison Widefield Array de Australia proporcionando cobertura de baja frecuencia y el MeerKAT de Sudáfrica proporcionando cobertura de frecuencia media. [29] [30] [5] Habrá una cobertura de frecuencia continua de 50 MHz a 14 GHz en las dos primeras fases de su construcción.
Fase 1: Proporcionar aproximadamente el 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 lograr utilizando un solo diseño de antena, por lo que el SKA comprenderá subconjuntos separados de diferentes tipos de elementos de antena que conformarán los conjuntos SKA-low, SKA-mid y de estudio:
Impresión artística de una estación de matriz de apertura dispersa SKA de banda bajaImpresión artística de una estación de matriz de apertura densa SKA
Conjunto SKA-low: un conjunto en fase de antenas dipolares simples para cubrir el rango de frecuencias de 50 a 350 MHz. Estas se agruparán en estaciones de 40 m de diámetro, cada una de las cuales contendrá 256 elementos dipolares de polarización dual orientados verticalmente. [33] Las estaciones se dispondrán de manera que el 75 % se ubicará dentro de un núcleo de 2 km de diámetro y las estaciones restantes se situarán en tres brazos espirales, que se extenderán hasta un radio de 50 km. [34]
Conjunto SKA-mid: un conjunto de varios miles de antenas parabólicas (se construirán alrededor de 200 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 conjunto de telescopios Allen, utilizando un diseño gregoriano descentrado con una altura de 15 metros y un ancho de 12 metros. [31] [35]
Conjunto de antenas parabólicas 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 un sistema de alimentación multihaz en fase con un amplio campo de visión y varios sistemas de recepción que cubren aproximadamente entre 350 MHz y 4 GHz. El subconjunto de antenas parabólicas fue eliminado de la especificación SKA1 luego de un ejercicio de "reajuste de la línea de base" en 2015. [36]
El área cubierta por el SKA, que se extiende hasta unos 3000 km, comprenderá tres regiones: [25] [37]
Una región central que contiene núcleos de unos 5 km de diámetro de antenas SKA-mid (Sudáfrica) y dipolos SKA-low (Australia Occidental). Estas regiones centrales contendrán aproximadamente la mitad del área total de recolección de los conjuntos SKA.
Una región intermedia que se extenderá hasta 180 km. Contendrá antenas parabólicas y pares de estaciones SKA-mid y SKA-low. En cada caso, se colocarán aleatoriamente dentro del área y la densidad de antenas parabólicas y estaciones disminuirá hacia la parte exterior de la región.
Una región exterior de 180 km a 3000 km. Estará formada por cinco brazos espirales, 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
En 2014, se estimó que el SKA costaría 1.800 millones de euros, incluidos 650 millones para la Fase 1, lo que representaba aproximadamente el 10% de la capacidad planificada 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. [16]
En diciembre de 2022 [actualizar], se informó que todo el proyecto valía alrededor de 3 mil millones de dólares australianos. [21]
Mapa de miembros de la Organización de Conjuntos de Kilómetros Cuadrados (SKAO)
Miembros
En febrero de 2021, los miembros del consorcio SKAO fueron: [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 de origen humano. 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 (Nueva Zelanda se unió a la oferta australiana y otros 8 países africanos se unieron a la oferta sudafricana): [47]
Numerosos grupos trabajan 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 del SKA, que lleva a cabo actividad relacionada con el SKA.
Pathfinder: Un telescopio o programa que lleva a cabo actividades tecnológicas, científicas y operativas relacionadas con el SKA.
Estudio de diseño: un estudio de uno o más subsistemas principales del diseño de SKA, incluida la construcción de prototipos.
El proyecto australiano SKA Pathfinder, o ASKAP, ha costado 100 millones de dólares australianos y ha construido un conjunto de treinta y seis antenas parabólicas de doce metros. Emplea tecnologías avanzadas e innovadoras, como alimentadores de matriz en fase , para ofrecer un amplio campo de visión (30 grados cuadrados). El ASKAP fue construido por CSIRO en el Observatorio de Radioastronomía de Murchison, situado cerca de Boolardy, en la región centro-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 un conjunto de sesenta y cuatro antenas parabólicas 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 prueba de ingeniería y ciencia de siete platos para MeerKAT, en el Parque Nacional Meerkat cerca de Carnarvon en la Provincia del Cabo del Norte de Sudáfrica, se puso en servicio en 2012 y estuvo en funcionamiento en mayo de 2018 cuando se completaron las sesenta y cuatro antenas parabólicas de 13,5 metros de diámetro (44,3 pies), con pruebas de verificación en curso para garantizar que los instrumentos funcionen correctamente. [52] [ necesita actualización ] Las antenas parabólicas están equipadas con una serie de alimentadores 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 la época de reionización del hidrógeno (HERA)
El conjunto HERA está ubicado en el Parque Nacional Meerkat de Sudáfrica. Está diseñado para estudiar las emisiones atómicas de hidrógeno altamente desplazadas hacia el rojo que se producen antes y durante la época de reionización.
El Allen Telescope Array en California utiliza innovadoras antenas gregorianas con una inclinación de 6,1 m equipadas con alimentadores individuales de banda ancha que cubren frecuencias de 500 MHz a 11 GHz. El conjunto de 42 elementos, que estará en funcionamiento en 2017, se ampliará a 350 elementos. [ ¿Cuándo? ] El diseño de la antena ha explorado métodos de fabricación de bajo costo. [65]
Lofar
El telescopio internacional LOFAR, un proyecto de 150 millones de euros liderado por los Países Bajos, es un novedoso conjunto de apertura en fase de baja frecuencia que se extiende por el norte de Europa. Es un telescopio totalmente electrónico que cubre frecuencias bajas de 10 a 240 MHz y estuvo en funcionamiento entre 2009 y 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 tomar imágenes con una resolución angular de sub-arcosegundo en un amplio campo de visión. Esta imagen de alta resolución a bajas frecuencias es única y será un factor de más de un orden de magnitud mejor que SKA1-LOW.
Estudios de diseño
Programa de verificación de matrices de apertura [68]
Programa canadiense SKA [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 brutos a información derivada relevante. A mediados de 2011 se estimó que la matriz podría generar un exabyte al día de datos brutos, que podrían comprimirse a alrededor de 10 petabytes . [73] China, miembro fundador del proyecto, ha diseñado y construido el primer prototipo del centro de procesamiento de datos regional. An Tao, jefe del grupo SKA del Observatorio Astronómico de Shanghái , declaró: "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 impulsado un diseño unificado de formación de haz 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 FPGAs Intel de gama alta 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 la cooperación. [ cita requerida ]
Proyecto de Desarrollo Tecnológico (TDP)
El Proyecto de Desarrollo Tecnológico, o TDP, es un proyecto de 12 millones de dólares destinado específicamente a desarrollar tecnología de antena y alimentación para el SKA. Es operado por un consorcio de universidades [ aclaración necesaria ] 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 Ventaja Geográfica Astronómica de 2007. [85] Establecida específicamente para apoyar la candidatura sudafricana para el SKA, prohíbe todas las actividades que puedan poner en peligro el funcionamiento científico de los instrumentos astronómicos básicos. En 2010, surgieron inquietudes 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 podría tener el potencial de aumentar la interferencia de radio en el sitio. [86]
Una estación remota identificada para el conjunto de África meridional en Mozambique estaba 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 de duración por parte del Sindicato Nacional de Trabajadores Metalúrgicos (NUMSA), lo que contribuyó a los retrasos en la instalación de antenas. [89]
El mayor riesgo para el proyecto en su conjunto es probablemente su presupuesto, que hasta 2014 no había sido comprometido. [90]
Desde el inicio del proyecto, los agricultores, las empresas y los particulares de Sudáfrica se han opuesto al proyecto. [91] El grupo de defensa Save the Karoo ha declarado que la zona de silencio radioeléctrico crearía más desempleo en la región sudafricana, donde el desempleo ya supera el 32%. [92] Los agricultores han declarado que la economía basada en la agricultura en el Karoo colapsaría si se les obligara a vender sus tierras. [93] [94]
Proyectos clave
Impresión artística de las antenas gregorianas desplazadasEsquema de la región central del SKA
Las capacidades del SKA se diseñarán para abordar una amplia gama de cuestiones en astrofísica , física fundamental , cosmología y astrofísica de partículas , así como para ampliar el alcance del universo observable . A continuación se enumeran varios proyectos científicos clave que se han seleccionado 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 ponerla a prueba. La mayoría de estas pruebas, incluidas las más rigurosas, se han llevado a cabo utilizando mediciones radioastronómicas. Al utilizar púlsares como detectores de ondas gravitacionales cósmicas o al cronometrar púlsares que orbitan alrededor de 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 posibilitadas por los estudios de galaxias de SKA incluyen la prueba de modelos 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 SKA pretende proporcionar datos observacionales de la llamada Edad Oscura (entre 300.000 años después del Big Bang , cuando el universo se enfrió lo suficiente para que el hidrógeno se volviera neutro y se desacoplara de la radiación) y el momento de la Primera Luz (mil millones de años después, cuando se observa la formación de galaxias jóvenes por primera vez y el hidrógeno se ioniza de nuevo). Al observar la distribución primordial del gas, el SKA debería poder ver cómo el Universo se iluminó gradualmente a medida que se formaban sus estrellas y galaxias y luego evolucionaban. Este período de la Edad Oscura, que culminó con la Primera Luz, se considera el primer capítulo en la historia cósmica de la creación, y el poder de resolución necesario para ver este evento es la razón del diseño del Square Kilometre Array. Para ver de nuevo la Primera Luz se necesita un telescopio 100 veces más potente que los radiotelescopios más grandes que hay actualmente en el mundo, que ocupa un millón de metros cuadrados de área de recolección, o un kilómetro cuadrado. [104]
Magnetismo cósmico
Aún no es posible responder a las 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 cartografiar los efectos del magnetismo en la radiación de galaxias muy lejanas, 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 (químicos que contienen carbono) en el espacio exterior, incluidos los aminoácidos , mediante la identificación de líneas espectrales en frecuencias específicas. [106]
El SKA será capaz de detectar "fugas" de emisiones de radio extremadamente débiles de civilizaciones extraterrestres cercanas , si 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
"Dentro del Square Kilometre Array", revista Cosmos en línea, enero de 2012
"La categoría de matriz de kilómetros cuadrados", The Conversation , 2011/12
"Boletín informativo de la Oficina de Planificación de SKA de Australia". CSIRO . 10 de abril de 2007. Archivado desde el original (PDF) el 12 de mayo de 2012. Consultado el 19 de marzo de 2007 .
Estación Boolardy y Observatorio de Radioastronomía de Murchison (MRO) – Universidad de Australia Occidental
Fotografías del sitio de Boolardy, junio de 2010
Un asunto troyano Archivado el 23 de noviembre de 2018 en Wayback Machine - Novela sobre el SKA
Canadá
Sitio web del Consorcio SKA de Canadá
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, Paul. "¿Dónde construir el conjunto de telescopios de un kilómetro cuadrado?". Vídeos del espacio profundo . Brady Haran .
Medios relacionados con Square Kilometre Array en Wikimedia Commons
