MeerKAT , первоначально Karoo Array Telescope , представляет собой радиотелескоп, состоящий из 64 антенн в Национальном парке Сурикат , в Северном Мысе Южной Африки. В 2003 году Южная Африка подала выражение заинтересованности в размещении радиотелескопа Square Kilometre Array (SKA) в Африке, и местный спроектированный и построенный MeerKAT был включен в первую фазу SKA. MeerKAT был запущен в 2018 году.
Наряду с решеткой реионизации эпохи водорода (HERA), также расположенной в Южной Африке, и двумя радиотелескопами в Западной Австралии — австралийской SKA Pathfinder (ASKAP) и Murchison Widefield Array (MWA), MeerKAT является одним из четырех предшественников окончательной SKA.
MeerKAT является предшественником массива SKA-mid, как и массив реионизации эпохи водорода (HERA), австралийский SKA Pathfinder (ASKAP) и массив Murchison Widefield Array (MWA). [1]
Он расположен на площадке SKA в Кару и является первопроходцем в области технологий и науки SKA-mid. Он был разработан инженерами Южноафриканской радиоастрономической обсерватории и южноафриканской промышленности, а большая часть оборудования и программного обеспечения была получена из Южной Африки. Он состоит из 64 антенн, каждая диаметром 13,5 м, оснащенных криогенными приемниками. Антенны имеют позиции для четырех приемников, и одна из трех вакантных позиций будет заполнена приемниками S-диапазона, предоставленными Институтом радиоастрономии Макса Планка (MPIfR). Конфигурация решетки имеет 61% антенн, расположенных в пределах круга диаметром 1 км, а остальные 39% распределены в радиусе 4 км. [ необходима цитата ]
Выходы приемника оцифровываются немедленно на антенне, а потоки цифровых данных передаются в Karoo Array Processor Building (KAPB) через скрытые оптические волокна. Сигналы антенны обрабатываются цифровым сигнальным процессором Correlator/Beamformer (CBF). Данные из CBF передаются в кластер компьютеров Science Processor и модули дискового хранения. Данные антенны MeerKAT также предоставляются нескольким пользовательским цифровым бэкэндам через CBF, включая поисковые системы пульсаров и быстрых радиовсплесков (FRB), точную систему синхронизации пульсаров и процессор сигналов SETI . Система опорного времени и частоты (TFR) обеспечивает сигналы часов и абсолютного времени, необходимые для оцифровщиков и других подсистем телескопа. Эта система TFR включает в себя два водородных мазерных часа, два рубидиевых атомных часа, точный кварцевый генератор и набор систем приемников GNSS для передачи времени с UTC. [ необходима цитата ]
Массивные вычислительные и цифровые системы обработки сигналов, расположенные в KAPB, размещены в большой экранированной камере (или клетке Фарадея ), чтобы предотвратить помехи радиосигналов от оборудования для чувствительных радиоприемников. Сам KAPB частично закопан под землю, чтобы обеспечить дополнительную защиту от радиочастотных помех (RFI) и обеспечить температурную стабильность. KAPB также размещает установку кондиционирования питания для всего объекта, включая три дизельных роторных ИБП, которые обеспечивают бесперебойное электропитание для всего объекта. [2]
Длинноволновое оптоволокно передает данные из KAPB в Центр высокопроизводительных вычислений (CHPC) и офис SARAO в Кейптауне, а также обеспечивает контроль и мониторинг связи с операционным центром SARAO в Кейптауне. Обработка и сокращение данных телескопа выполняется на вычислительных мощностях, предоставляемых системами MeerKAT SP, и на других высокопроизводительных вычислительных мощностях, предоставляемых пользователями MeerKAT. [ необходима цитата ]
MeerKAT, открытый в июле 2018 года [3], состоит из 64 тарелок диаметром 13,5 метров каждая со смещенной григорианской конфигурацией. [4] Смещенная конфигурация тарелки была выбрана, поскольку ее незаблокированная апертура обеспечивает бескомпромиссные оптические характеристики и чувствительность, превосходное качество изображения и хорошее подавление нежелательных радиочастотных помех от спутников и наземных передатчиков. Она также облегчает установку нескольких приемных систем в первичных и вторичных фокальных зонах и является эталонной конструкцией для концепции SKA среднего диапазона. [5]
MeerKAT поддерживает широкий спектр режимов наблюдения, включая глубокий континуум, поляризацию и визуализацию спектральных линий , синхронизацию пульсаров и поиск переходных процессов. Предоставляется ряд стандартных продуктов данных, включая конвейер визуализации. Также доступно несколько «каналов данных» для поддержки предоставленных пользователем приборов. Планируются значительные усилия по проектированию и квалификации для обеспечения высокой надежности для достижения низких эксплуатационных расходов и высокой доступности.
64 антенны MeerKAT распределены по двум компонентам:
Чтобы приобрести опыт в строительстве интерферометрических телескопов, члены Karoo Array Telescope построили Phased Experimental Demonstrator (PED) в Южноафриканской астрономической обсерватории в Кейптауне в период с 2005 по 2007 год. [6]
В 2007 году в радиоастрономической обсерватории Хартебистхук был построен 15-метровый (49 футов) экспериментальный модельный телескоп (XDM), который должен был служить испытательным стендом для MeerKAT. [7]
Строительство MeerKAT Precursor Array (MPA – также известного как KAT-7) на месте началось в августе 2009 года. [8] В апреле 2010 года четыре из семи первых тарелок были объединены в единую систему для получения первого интерферометрического изображения астрономического объекта. В декабре 2010 года было успешно обнаружено интерферометрическое поле с очень длинной базовой линией (VLBI) между 26-метровой тарелкой радиоастрономической обсерватории Хартебисток и одной из тарелок KAT-7. [9]
Несмотря на первоначальные планы завершить MeerKAT к 2012 году, [10] строительство было приостановлено в конце 2010 года из-за реструктуризации бюджета. Министр науки Наледи Пандор отрицал, что приостановка ознаменовала какой-либо регресс в проекте SKA или «внешние соображения». [11] Строительство MeerKAT не получало финансирования в 2010/11 и 2011/12 годах. [12] В Национальном бюджете ЮАР на 2012 год предполагалось, что к 2015 году будет завершено всего 15 антенн MeerKAT. [13]
Последний из железобетонных фундаментов для антенн MeerKAT был завершён 11 февраля 2014 года. Для строительства 64 оснований за 9 месяцев было использовано почти 5000 м3 бетона и более 570 тонн стали. [ 14]
MeerKAT планируется завершить в три этапа. Первый этап будет включать все антенны, но будет установлен только первый приемник. Доступна полоса пропускания обработки 750 МГц. Для второго и третьего этапов будут установлены оставшиеся два приемника, а полоса пропускания обработки будет увеличена как минимум до 2 ГГц с целью 4 ГГц. После завершения строительства всех шестидесяти четырех антенн MeerKAT начались проверочные испытания, чтобы убедиться, что приборы функционируют правильно. [15] После этого MeerKAT будет введен в эксплуатацию во второй половине 2018 года, а затем массив будет запущен для научных операций.
13 июля 2018 года заместитель президента ЮАР Дэвид Мабуза открыл телескоп MeerKAT и представил снимок, полученный с помощью MeerKAT, на котором были показаны беспрецедентные детали области, окружающей сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики Млечный Путь.
64 антенны MeerKAT будут включены в фазу 1 массива SKA Mid Frequency Array после того, как 133 антенны SKA будут построены и введены в эксплуатацию на площадке Karoo, в результате чего общее количество антенн для массива SKA составит 197. Вся инфраструктура, в настоящее время связанная с MeerKAT, будет перенесена в массив SKA. KAPB имеет возможность разместить дополнительное оборудование, необходимое для SKA Mid.
Научные цели обзоров MeerKAT соответствуют основным научным драйверам для первой фазы SKA , подтверждая обозначение MeerKAT как инструмента-предшественника SKA. Пять лет наблюдательного времени на MeerKAT были выделены ведущим астрономам, которые подали заявки на время для проведения исследований.
Южноафриканский департамент науки и технологий через NRF и SARAO инвестировал более 760 миллионов рандов в инфраструктуру на южноафриканской площадке SKA. Инновационный дизайн и проектирование инфраструктуры, созданной для MeerKAT, а также среда с низким уровнем радиопомех, благоприятные физические характеристики площадки и техническая экспертиза на площадке сделали площадку в Кару идеальным местом для других радиоастрономических экспериментов.
Радиотелескоп HERA (Hydrogen Epoch of Reionisation Array) — один из таких инструментов, размещенных на южноафриканской площадке SKA. HERA разработан для первого обнаружения радиосигналов от самых первых звезд и галактик, которые образовались на ранних этапах жизни Вселенной. Южноафриканские инженеры и ученые работают со своими коллегами из Калифорнийского университета в Беркли в США и Кембриджского университета в Великобритании над созданием HERA и использованием его уникальных и фундаментальных научных возможностей.
Другие эксперименты, которые были созданы на площадке SA SKA, включают PAPER ( прецизионная решетка для исследования эпохи реионизации ) и C-BASS (обзор всего неба в C-диапазоне).
Чтобы обеспечить долгосрочную жизнеспособность площадки Кару для MeerKAT и SKA, а также для других радиоастрономических инструментов, парламент ЮАР в 2007 году принял Закон о географических преимуществах астрономии. Закон предоставляет министру науки и технологий полномочия защищать посредством нормативных актов территории, имеющие стратегическое национальное значение для астрономии и связанных с ней научных исследований.
В сентябре 2019 года международная группа астрономов с помощью южноафриканского радиотелескопа MeerKAT обнаружила огромные шарообразные структуры, возвышающиеся на сотни световых лет выше и ниже центра нашей галактики. [16]
Опыт, полученный южноафриканскими инженерами при проектировании и строительстве MeerKAT, был перенесен в проект SKA, что снизило риски и затраты на разработку. Южноафриканские инженеры из SARAO и южноафриканские промышленные партнеры приняли участие в 7 из 11 консорциумов по проектированию SKA, составив около 10% рабочей силы в этих консорциумах, распределенных по всему миру. Южноафриканский консорциум по инфраструктуре и консорциум по сборке, интеграции, проверке (AIV) возглавлялись SARAO, а южноафриканское участие было в консорциуме DISH, консорциуме по обработке научных данных (SDP), консорциуме по передаче сигналов и данных (SaDT), консорциуме Telescope Manager (TM) и консорциуме по среднечастотной апертурной решетке. Южноафриканские инженеры контролировали аспекты системной инженерии 5 консорциумов. SARAO подписала Меморандум о взаимопонимании с SKAO о предоставлении ресурсов для Bridging Activities, которые продолжат разработку подсистем SKA теперь, когда консорциумы завершили свою работу. Участие южноафриканских промышленных партнеров в предыдущей работе консорциума и будущих Bridging Activities облегчается SARAO через инициативу финансирования Программы финансовой помощи (FAP).
Ученые из SARAO и южноафриканских университетов хорошо представлены в различных научных рабочих группах SKA (SWG), при этом около 10% авторов статей в SKA Science Book имеют связи с южноафриканскими учреждениями. Крупные научные проекты MeerKAT (LSP) тесно связаны с научным кейсом SKA, и существует большое совпадение членства между командами LSP и связанными с ними SWG.
Чтобы создать необходимые навыки для проектирования, строительства и эксплуатации телескопов SKA и MeerKAT, а также для оптимального использования этих радиотелескопов для исследований после ввода в эксплуатацию, SARAO инициировала программу развития потенциала в 2005 году. Программа полностью интегрирована в деятельность SARAO и создана для развития и удержания исследователей, инженеров и мастеров, необходимых для обеспечения успеха MeerKAT и SKA в Южной Африке. На сегодняшний день программа предоставила более 1000 стипендий и грантов на всех соответствующих академических уровнях и для ряда соответствующих квалификаций. Программа пользуется спросом у коллег-академиков из-за ее успеха в развитии, с низкой базы, значительного опыта в радиоастрономии за последние 14 лет. [ необходима цитата ]
Африканская сеть интерферометрии с очень длинной базой (VLBI) (AVN) является важным шагом на пути к созданию SKA на Африканском континенте. Программа AVN будет передавать навыки и знания в странах-партнерах SKA в Африке (Ботсвана, Гана, Кения, Мадагаскар, Маврикий, Мозамбик, Намибия и Замбия) для строительства, обслуживания, эксплуатации и использования радиотелескопов.
MeerKAT также будет участвовать в глобальных операциях VLBI со всеми основными радиоастрономическими обсерваториями по всему миру и значительно увеличит чувствительность глобальной сети VLBI. Дальнейшие потенциальные научные цели MeerKAT — участие в поиске внеземного разума и сотрудничество с NASA по загрузке информации с космических зондов.
