Телескопическая решетка Аллена ( ATA ), ранее известная как телескоп One Hectare Telescope ( 1hT ), представляет собой радиотелескопическую решетку , предназначенную для астрономических наблюдений и одновременного поиска внеземного разума (SETI). [1] [2] Решетка расположена в радиообсерватории Хэт-Крик в округе Шаста , в 290 милях (470 км) к северо-востоку от Сан-Франциско , Калифорния.
Первоначально проект был разработан как совместный проект Института SETI и Радиоастрономической лаборатории (RAL) Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) на средства, полученные из первоначального пожертвования в размере 12,5 млн долларов США от Фонда семьи Пола Г. Аллена и Натана Мирволда . [3] Первая фаза строительства была завершена, и ATA, наконец, начала функционировать 11 октября 2007 года с 42 антеннами (ATA-42), после того как Пол Аллен (соучредитель Microsoft ) пообещал выделить дополнительно 13,5 млн долларов США на поддержку строительства первой и второй фаз. [4] [5]
Хотя в целом Allen вложил в проект более 30 миллионов долларов, ему не удалось построить 350 изначально задуманных 6,1-метровых (20-футовых) антенн, [6] и проект претерпел перерыв в работе из-за нехватки финансирования в период с апреля по август 2011 года, после чего наблюдения возобновились. [7] [8] [9] [10] Впоследствии Калифорнийский университет в Беркли вышел из проекта, завершив продажу активов в апреле 2012 года. В настоящее время объектом управляет SRI International (ранее Стэнфордский исследовательский институт), независимый некоммерческий исследовательский институт. [11] По состоянию на 2016 год Институт SETI проводит наблюдения [12] с помощью ATA ежедневно с 18:00 до 6:00.
В августе 2014 года объект оказался под угрозой лесного пожара в этом районе и был вынужден на короткое время закрыться, но в конечном итоге остался практически невредимым. [13]
Впервые задуманная пионером SETI Фрэнком Дрейком , эта идея была мечтой Института SETI в течение многих лет. Однако исследования и разработки начались только в начале 2001 года после пожертвования в размере 11,5 миллионов долларов США Фондом семьи Пола Г. Аллена . В марте 2004 года, после успешного завершения трехлетнего этапа исследований и разработок, Институт SETI представил трехуровневый план строительства телескопа. Строительство началось немедленно благодаря обещанию Пола Аллена (соучредителя Microsoft ) в размере 13,5 миллионов долларов США на поддержку строительства первой и второй фаз. Институт SETI назвал телескоп в честь Аллена. В целом Пол Аллен вложил в проект более 30 миллионов долларов США.
ATA — это сантиметровая волновая решетка , которая является пионером концепции большого числа малых диаметров при построении радиотелескопов . По сравнению с большой тарелочной антенной , большое количество меньших тарелок обходится дешевле для той же площади сбора. Чтобы получить одинаковую чувствительность, сигналы со всех телескопов должны быть объединены. Для этого требуется высокопроизводительная электроника, которая была непомерно дорогой. Благодаря снижению стоимости электронных компонентов требуемая электроника стала осуществимой, что привело к большой экономии средств по сравнению с телескопами более традиционной конструкции. Это неофициально называется «заменой стали на кремний».
ATA обладает четырьмя основными техническими возможностями, которые делают его хорошо подходящим для целого ряда научных исследований: очень широкое поле зрения (2,45° при λ = 21 см, длина волны водородной линии ), полное мгновенное покрытие частот от 0,5 до 11,2 гигагерц (ГГц), несколько одновременных бэкэндов и активное подавление помех. Площадь неба, которая может быть мгновенно отображена, в 17 раз больше, чем достижимая телескопом Very Large Array . Мгновенное покрытие частот более четырех октав является беспрецедентным в радиоастрономии и является результатом уникальной конструкции подачи, входного усилителя и тракта сигнала. Активное подавление помех позволит проводить наблюдения даже на частотах многих наземных радиоизлучателей .
Обзоры всего неба являются важной частью научной программы, [ необходимо разъяснение ] и ATA будет иметь повышенную эффективность благодаря своей способности проводить поиски внеземного разума (SETI) и другие радиоастрономические наблюдения одновременно. Телескоп может делать это, разделяя записанные сигналы в диспетчерской перед окончательной обработкой. Одновременные наблюдения возможны, поскольку для SETI , куда бы ни был направлен телескоп, несколько целевых звезд будут находиться в большом поле зрения, предоставляемом 6-метровыми антеннами. По соглашению между Радиоастрономической лабораторией Калифорнийского университета в Беркли (RAL) и Институтом SETI , потребности традиционной радиоастрономии определяли наведение массива вплоть до 2012 года.
Планируется, что ATA будет включать 350 6-метровых тарелок и позволит проводить большие глубокие радиоисследования, которые ранее были невозможны. Конструкция телескопа включает в себя множество новых функций, включая гидроформованные поверхности антенн, логопериодический фидер, охватывающий весь диапазон частот от 500 мегагерц (МГц) до 11,2 ГГц, и малошумящие широкополосные усилители с плоской характеристикой по всему диапазону, что позволяет напрямую усиливать сигнал неба. Этот усиленный сигнал, содержащий всю полученную полосу пропускания, передается от каждой антенны в комнату обработки по оптоволоконным кабелям. Это означает, что по мере совершенствования электроники и получения более широких полос пропускания необходимо менять только центральный процессор, а не антенны или фидеры.
Инструмент эксплуатировался и обслуживался компанией RAL до тех пор, пока разработка решетки не была приостановлена в 2011 году. Компания RAL тесно сотрудничала с Институтом SETI во время проектирования и создания прототипа и была основным разработчиком облучателя, антенных поверхностей, формирования луча , коррелятора и системы формирования изображений для радиоастрономических наблюдений.
Группа по Десятилетнему обзору астрономии и астрофизики в своем пятом отчете, Астрономия и астрофизика в новом тысячелетии (2001), одобрила SETI и признала ATA (тогда называвшийся 1- гектарным телескопом) важной ступенью на пути к созданию телескопа Square Kilometer Array (SKA). В последнем отчете Decadal рекомендовалось прекратить финансовую поддержку SKA со стороны США, хотя участие США в предшественниках SKA, таких как MeerKAT , Hydrogen Epoch of Reionization Array и Murchison Widefield Array .
Хотя оценки стоимости нереализованных проектов всегда сомнительны, а спецификации не идентичны (например, обычные телескопы имеют более низкую шумовую температуру , но у ATA большее поле зрения ), ATA имеет потенциальные перспективы как гораздо более дешевая технология радиотелескопа для данной эффективной апертуры. Например, сумма, потраченная на первую фазу ATA-42, включая разработку технологии, составляет примерно одну треть от стоимости новой копии 34-метровой антенны Deep Space Network с аналогичной площадью сбора. [14] Аналогичным образом, предполагаемая общая стоимость строительства оставшихся 308 тарелок была оценена (по состоянию на октябрь 2007 года [update]) примерно в 41 миллион долларов. [4] Это примерно в два раза дешевле, чем стоимость последней большой радиоастрономической антенны, построенной в США, Green Bank Telescope с аналогичной площадью сбора, в 85 миллионов долларов. Подрядчик подал заявку на перерасход в размере 29 миллионов долларов, но из этой суммы было разрешено только 4 миллиона долларов. [15]
ATA стремится стать одним из крупнейших и самых быстрых в мире наблюдательных инструментов и позволить астрономам одновременно искать множество различных целевых звезд. Если его закончат так, как изначально задумывалось, он станет одним из крупнейших и самых мощных телескопов в мире.
С момента своего создания ATA был инструментом разработки [ необходимо разъяснение ] для технологии астрономического интерферометра (в частности, для решетки Square Kilometer Array ). [16]
Первоначально планировалось, что ATA будет построена в четыре этапа: ATA-42, ATA-98, ATA-206 и ATA-350, каждое число будет представлять собой количество тарелок в массиве в данный момент времени. (См. Таблицу 1). Планируется, что ATA будет состоять из 350 тарелок диаметром 6 м каждая.
Регулярная эксплуатация 42 антенн началась 11 октября 2007 года. [4] В настоящее время Институт SETI ищет финансирование для строительства дополнительных антенн из различных источников, включая ВМС США , Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), Национальный научный фонд (NSF) и частных доноров.
Одновременные астрономические и SETI наблюдения выполняются с помощью двух 32-входовых корреляторов изображений с двойной поляризацией . [17] Было опубликовано множество статей, в которых сообщалось о традиционных радиоастрономических наблюдениях. [18] [19] [20] [21]
Три фазированных формирователя луча [22], использующие Berkeley Emulation Engine 2 (BEE2), были развернуты в июне 2007 года и интегрированы в систему для обеспечения одновременных астрономических и SETI наблюдений. [23] [24] По состоянию на апрель 2008 года были проведены первые наблюдения пульсаров с использованием формирователя луча и специально созданного пульсарного спектрометра . [25]
Рабочая лошадка поисковой системы SETI (SETI на ATA или SonATA) выполняет полностью автоматизированные наблюдения SETI. SonATA отслеживает обнаруженные сигналы в реальном времени и продолжает отслеживать их до тех пор, пока 1) не будет показано, что сигнал был сгенерирован на Земле или редко, 2) не будет установлен источник, что запускает последующее наблюдение на следующий день. По состоянию на 2016 год более двухсот миллионов сигналов были отслежены и классифицированы [ необходима ссылка ] с помощью ATA. Ни один из этих сигналов не обладал всеми характеристиками, ожидаемыми для сигнала ETI. Результаты наблюдений Института SETI опубликованы в ряде статей. [26] [27] [28]
В апреле 2011 года ATA была переведена в спящий режим из-за нехватки финансирования, что означало, что она больше не была доступна для использования. [29] Работа ATA возобновилась 5 декабря 2011 года. [10] В настоящее время усилиями руководит Эндрю Симион . [30]
В 2012 году ATA финансировалась благотворительным пожертвованием в размере 3,6 млн долларов США от Франклина Антонио, соучредителя и главного научного сотрудника Qualcomm Incorporated . [31] Этот дар поддерживает модернизацию всех приемников на антеннах ATA, чтобы иметь значительно большую чувствительность (2 − 10× от 1 до 8 ГГц), чем раньше, и поддерживать чувствительные наблюдения в более широком диапазоне частот, от 1 до 15 ГГц, когда изначально радиочастотная электроника работала только до 11 ГГц. К июлю 2016 года были установлены и проверены первые десять из этих приемников. Полная установка на всех 42 антеннах запланирована на июнь 2017 года [update]. [32] [ требуется обновление ]
В ноябре 2015 года ATA изучал аномальную звезду KIC 8462852 , [33] [34], а осенью 2017 года телескоп Allen Telescope Array исследовал межзвездный астероид «Оумуамуа» на предмет наличия там технологических признаков, но не обнаружил никаких необычных радиоизлучений. [35] [36]
Научные цели, перечисленные ниже, представляют собой наиболее важные проекты, которые будут реализованы с ATA. Каждая из этих целей связана с одним из четырех этапов разработки, упомянутых ранее. (См. Таблицу 1). Также перечислены некоторые научные результаты, которые, как ожидается, будут получены в результате каждой из них.
С момента начала строительства массива было предложено несколько научных целей, специально для него не разработанных.
Например, Allen Telescope Array предложил предоставить данные о лунном происшествии для всех участников Google Lunar X Prize . [37] Это практично, поскольку массив без каких-либо модификаций охватывает основные диапазоны космической связи (S-диапазон и X-диапазон). Единственным необходимым дополнением будет декодер телеметрии .
Также ATA упоминался как кандидат на поиск нового типа радиотранзиентов . [ 38] Это отличный выбор для этого из-за его большого поля зрения и широкой мгновенной полосы пропускания. Следуя этому предложению, Эндрю Симион и международная группа астрономов и инженеров разработали инструмент под названием «Глаз мухи», который позволил ATA искать яркие радиотранзиенты, и наблюдения проводились в период с февраля по апрель 2008 года. [39]
Конфигурация ATA-42 обеспечит максимальную базовую линию 300 м (и в конечном итоге для ATA-350, 900 м). Охлаждаемый логопериодический фидер на каждой антенне разработан для обеспечения температуры системы ~45K в диапазоне 1–10 ГГц с пониженной чувствительностью в диапазонах 0,5–1,0 ГГц и 10–11,2 ГГц. Доступны четыре отдельные настройки частоты (ПЧ) для создания 4 x 672 МГц промежуточных частотных диапазонов. Две ПЧ поддерживают корреляторы для визуализации; две будут поддерживать наблюдения SETI . Все настройки могут создавать четыре луча фазированной решетки с двойной поляризацией , которые могут быть независимо направлены в пределах первичного луча и могут использоваться с различными детекторами. Таким образом, ATA может синтезировать до 32 лучей фазированной решетки.
Широкое поле зрения ATA дает ему непревзойденные возможности для больших обзоров (рис. 4). Время, необходимое для картирования большой площади при заданной чувствительности, пропорционально ( ND ) 2 , где N — количество элементов, а D — диаметр тарелки. Это приводит к удивительному результату, что большой массив маленьких тарелок может превзойти массив с меньшим количеством элементов, но значительно большей собирающей площадью в задаче больших обзоров. Как следствие, даже ATA-42 конкурентоспособен с гораздо большими телескопами по своим возможностям как для обзоров яркостной температуры, так и для обзоров точечных источников . Для обзоров точечных источников ATA-42 сопоставим по скорости с Arecibo и телескопом Green Bank (GBT), но в три раза медленнее, чем Very Large Array (VLA). ATA-350, с другой стороны, будет на порядок быстрее, чем Very Large Array для обзоров точечных источников, и сопоставим с Expanded Very Large Array (EVLA) по скорости обзора. Для обзоров до указанной чувствительности к яркостной температуре ATA-98 превзойдет скорость обзора даже конфигурации VLA-D. ATA-206 должен соответствовать чувствительности к яркостной температуре Arecibo и GBT. Однако ATA обеспечивает лучшее разрешение, чем любой из этих однотарельчатых телескопов.
Антенны для ATA представляют собой гидроформованные офсетные телескопы Gregorian размером 6,1 x 7,0 метров (20,0 футов x 23,0 футов) , каждый с 2,4-метровым субрефлектором с эффективным фокусным расстоянием /диаметром (f/D) отношением 0,65. (См. DeBoer, 2001). Геометрия смещения устраняет блокировку, что повышает эффективность и уменьшает боковые лепестки . Она также позволяет использовать большой субрефлектор, обеспечивая хорошие низкочастотные характеристики. Технология гидроформования, используемая для изготовления этих поверхностей, та же самая, что используется Andersen Manufacturing из Айдахо-Фолс, штат Айдахо, для создания недорогих спутниковых рефлекторов. Уникальная внутренняя рама с ободом компактного крепления обеспечивает превосходную производительность при низкой стоимости. В системе привода используется подпружиненный пассивный безлюфтовый азимутальный привод. Большинство компонентов разработаны Мэтью Флемингом и изготовлены в Minex Engineering Corp. в Антиохе, штат Калифорния .
Как и в случае с другими массивами , огромный объем входящей сенсорной информации требует возможности обработки массива в реальном времени для сокращения объема данных для хранения. Для ATA-256 средняя скорость передачи данных и общий объем данных для коррелятора оцениваются в 100 Мбайт/с и 15 Пбайт за пятилетний период обследования. [40] Эксперименты, такие как переходные обследования, значительно превысят эту скорость. Формирователи луча производят данные с гораздо более высокой скоростью (8 гигабайт в секунду (Гбит/с)), но только очень малая часть этих данных архивируется. В 2009 году аппаратное и программное обеспечение для обнаружения сигнала называлось Prelude, которое состояло из монтируемых в стойку ПК, дополненных двумя пользовательскими картами ускорителей на основе цифровой обработки сигналов (DSP) и микросхем программируемой вентильной матрицы (FPGA). Каждый программируемый модуль обнаружения (один из 28 ПК) может анализировать 2 МГц входных данных с двойной поляризацией для генерации спектров со спектральным разрешением 0,7 Гц и временными выборками 1,4 секунды. [40]
В 2009 году массив имел интернет-соединение на скорости 40 Мбит/с , достаточное для удаленного доступа и передачи продуктов данных для ATA-256. Планировалось обновление до 40 Гбит/с , что позволило бы напрямую распределять необработанные данные для вычислений вне площадки. [40]
Как и другие системы массивов, ATA имеет вычислительную сложность и перекрестное соединение, которые масштабируются как O (N 2 ) с числом антенн . Например, вычислительные требования для корреляции полной полосы пропускания ATA ( = 11 ГГц) для предлагаемой конструкции антенны с двойной поляризацией = 350, использующей эффективную архитектуру умножения частоты (FX) и скромную ширину канала 500 кГц (с числом каналов = 2200), определяются следующим образом: [41]
= 44 Пета- ОП в секунду
где — операция . Обратите внимание, что поскольку каждая тарелка имеет антенну с двойной поляризацией, каждый образец сигнала на самом деле представляет собой два набора данных, следовательно , .
До сих пор ограниченные наблюдения ʻOumuamua с использованием таких объектов, как телескопическая решетка Аллена Института SETI, не дали никаких результатов.