MeerKAT , первоначально Karoo Array Telescope , — радиотелескоп , состоящий из 64 антенн, расположенный в Национальном парке Сурикат , в Северном Кейптауне Южной Африки. В 2003 году Южная Африка подала заявку на размещение радиотелескопа с решеткой квадратных километров (SKA) в Африке, и разработанный и построенный на месте MeerKAT был включен в первый этап SKA. MeerKAT был запущен в 2018 году.
Наряду с водородной решеткой эпохи реионизации (HERA), также расположенной в Южной Африке, и двумя радиотелескопами в Западной Австралии , австралийским SKA Pathfinder (ASKAP) и широкополосной решеткой Мерчисона (MWA), MeerKAT является одним из четырех предшественников финал СКА.
MeerKAT является предшественником массива SKA-mid, а также массива Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), австралийского SKA Pathfinder (ASKAP) и Murchison Widefield Array (MWA). [1]
Он расположен на территории СКА в Кару и является первооткрывателем технологий и науки СКА-мид. Он был разработан инженерами Южно-Африканской радиоастрономической обсерватории и южноафриканских предприятий, а большая часть аппаратного и программного обеспечения была приобретена в Южной Африке. Он состоит из 64 антенн диаметром 13,5 м каждая, оснащенных криогенными приемниками. Антенны имеют места для четырех приемников, причем одно из трех вакантных мест будет заполнено приемниками S-диапазона, предоставленными Институтом радиоастрономии Макса Планка (MPIfR). В конфигурации решетки 61% антенн расположены в пределах круга диаметром 1 км, а остальные 39% распределены в радиусе 4 км. [ нужна цитата ]
Выходные сигналы приемника немедленно оцифровываются на антенне, а потоки цифровых данных передаются в здание процессора Karoo Array (KAPB) по скрытым оптическим волокнам. Сигналы антенны обрабатываются процессором цифровых сигналов коррелятора/формирователя луча (CBF). Данные из CBF передаются в компьютерный кластер Science Processor и модули дискового хранения. Данные антенны MeerKAT также доступны ряду пользовательских цифровых серверов через CBF, включая поисковые системы пульсаров и быстрых радиовсплесков (FRB), прецизионную систему синхронизации пульсаров и процессор сигналов SETI . Система привязки времени и частоты (TFR) обеспечивает сигналы часов и абсолютного времени, необходимые цифровым преобразователям и другим подсистемам телескопа. Эта система TFR состоит из двух водородных мазерных часов, двух атомных часов рубидия, точного кварцевого генератора и набора приемных систем GNSS для передачи времени с UTC. [ нужна цитата ]
Массивные вычислительные системы и системы цифровой обработки сигналов, расположенные в КАПБ, размещены в большой экранированной камере (или клетке Фарадея ), чтобы предотвратить возникновение помех радиосигналам от оборудования чувствительным радиоприемникам. Сам KAPB частично заглублен ниже уровня земли, чтобы обеспечить дополнительную защиту от радиочастотных помех (RFI) и температурную стабильность. На КАПБ также находится система кондиционирования электроэнергии для всей площадки, включающая три дизельных роторных источника бесперебойного питания, которые обеспечивают бесперебойное электроснабжение всей площадки. [2]
Оптическое волокно большой протяженности передает данные из KAPB в Центр высокопроизводительных вычислений (CHPC) и офис SARAO в Кейптауне, а также обеспечивает связь управления и мониторинга с операционным центром SARAO в Кейптауне. Обработка и обработка данных телескопа выполняется на вычислительных мощностях, предоставляемых системами MeerKAT SP, а также на других высокопроизводительных компьютерных средствах, предоставляемых пользователями MeerKAT. [ нужна цитата ]
MeerKAT, открытый в июле 2018 года [3] , состоит из 64 тарелок диаметром 13,5 метров каждая со смещенной григорианской конфигурацией. [4] Конфигурация смещенной антенны была выбрана потому, что ее незаблокированная апертура обеспечивает бескомпромиссные оптические характеристики и чувствительность, превосходное качество изображения и хорошее подавление нежелательных радиочастотных помех от спутников и наземных передатчиков. Он также облегчает установку нескольких систем приемников в основных и вторичных фокусных зонах и является эталонным дизайном для концепции SKA среднего диапазона. [5]
MeerKAT поддерживает широкий спектр режимов наблюдений, включая глубокий континуум, визуализацию поляризации и спектральных линий , синхронизацию пульсаров и поиск переходных процессов. Предоставляется ряд стандартных продуктов обработки данных, включая конвейер обработки изображений. Также доступен ряд «патрубков данных» для поддержки предоставляемых пользователем инструментов. Планируются значительные усилия по проектированию и квалификации для обеспечения высокой надежности, низких эксплуатационных затрат и высокой доступности.
64 блюда MeerKAT распределены по двум компонентам:
Чтобы приобрести опыт в строительстве интерферометрических телескопов, сотрудники Karoo Array Telescope построили Фазовый экспериментальный демонстратор (PED) в Южноафриканской астрономической обсерватории в Кейптауне в период с 2005 по 2007 год. [6]
В 2007 году в Радиоастрономической обсерватории Хартебестук был построен 15-метровый (49 футов) экспериментальный модельный телескоп (XDM) в качестве испытательного стенда для MeerKAT. [7]
Строительство матрицы-предшественника MeerKAT (MPA, также известной как KAT-7) на этом объекте началось в августе 2009 года. [8] В апреле 2010 года четыре из семи первых антенн были объединены в единую систему для создания первого интерферометрического изображения. астрономического объекта. В декабре 2010 года было успешно обнаружено очень длинные базовые интерферометрические полосы (РСДБ) между 26-метровой тарелкой Радиоастрономической обсерватории Хартебестук и одной из тарелок КАТ-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 отрицает, что приостановка означает какую-либо неудачу в проекте СКА или «внешние соображения». [11] Строительство MeerKAT не получало финансирования в 2010/11 и 2011/12 годах. [12] В национальном бюджете Южной Африки на 2012 год прогнозировалось, что к 2015 году будет построено всего 15 антенн MeerKAT. [13]
Последний из железобетонных фундаментов для антенн MeerKAT был завершен 11 февраля 2014 года. Для строительства 64 баз за 9 месяцев было использовано почти 5000 м 3 бетона и более 570 тонн стали. [14]
MeerKAT планируется завершить в три этапа. На первом этапе будут установлены все антенны, но будет установлен только первый приемник. Доступна полоса обработки 750 МГц. На втором и третьем этапах будут установлены оставшиеся два приемника, а полоса пропускания обработки будет увеличена как минимум до 2 ГГц, а планируется до 4 ГГц. После завершения строительства всех шестидесяти четырех антенн MeerKAT начались проверочные испытания, подтверждающие правильность функционирования приборов. [15] После этого MeerKAT будет введен в эксплуатацию во второй половине 2018 года, а затем массив будет подключен к научным операциям.
13 июля 2018 года заместитель президента Южной Африки Дэвид Мабуза открыл телескоп MeerKAT и представил изображение, созданное MeerKAT, которое показало беспрецедентные детали региона, окружающего сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики Млечный Путь.
64 антенны MeerKAT будут включены в Фазу 1 среднечастотной решетки SKA после того, как 133 антенны SKA будут построены и введены в эксплуатацию на площадке в Кару, в результате чего в общей сложности будет создано 197 антенн для решетки SKA. Вся инфраструктура, связанная в настоящее время с MeerKAT, будет переведена на массив SKA. КАПБ имеет возможность разместить дополнительное оборудование, необходимое СКА Мид.
Научные цели опросов MeerKAT соответствуют основным научным движущим силам первого этапа SKA , что подтверждает назначение MeerKAT в качестве инструмента-предшественника SKA. Пять лет наблюдения на MeerKAT были выделены ведущим астрономам, подавшим заявки на время для проведения исследований.
Южноафриканский департамент науки и технологий через NRF и SARAO инвестировал более 760 миллионов рандов в инфраструктуру южноафриканского объекта СКА. Инновационный дизайн и проектирование инфраструктуры, созданной для MeerKAT, а также тихая среда, благоприятные физические характеристики площадки и техническая экспертиза на месте сделали площадку в Кару идеальным местом для других радиоастрономических экспериментов.
Радиотелескоп HERA (Hydrogen Epoch of Reionisation Array) — один из таких инструментов, расположенный на южноафриканской площадке SKA. HERA впервые разработана для обнаружения радиосигналов от самых первых звезд и галактик, образовавшихся на ранних этапах существования 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 ее уникальных и фундаментальных научных возможностей.
Другие эксперименты, которые были построены на площадке SA SKA, включают PAPER ( прецизионный массив 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 Южной Африки принял в 2007 году Закон о географических преимуществах астрономии. Этот закон дает министру науки и технологий полномочия защищать области посредством правил, которые имеют 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 структуры, похожие на воздушные шары, которые возвышаются на сотни световых лет над и под центром нашей галактики. [16]
Опыт, полученный южноафриканскими инженерами при проектировании и строительстве MeerKAT, был перенесен в проект SKA, что позволило снизить риски и затраты на разработку. Южноафриканские инженеры из SARAO и южноафриканские промышленные партнеры участвовали в 7 из 11 консорциумов инженерного проектирования SKA, внося около 10% рабочей силы в эти международные консорциумы. Южноафриканский инфраструктурный консорциум и Консорциум сборки, интеграции и верификации (AIV) возглавлялись SARAO, а южноафриканская сторона участвовала в Консорциуме DISH, Консорциуме процессоров научных данных (SDP), Консорциуме передачи сигналов и данных (SaDT Consortium). , Консорциум Telescope Manager (TM) и Консорциум среднечастотных апертурных решеток. Южноафриканские инженеры курировали аспекты системного проектирования пяти консорциумов. SARAO подписала Меморандум о взаимопонимании со SKAO о предоставлении ресурсов для связующей деятельности, которая продолжит разработку подсистем SKA теперь, когда консорциумы завершили свою работу. Участие южноафриканских промышленных партнеров в предыдущей работе консорциума и будущих связующих мероприятиях обеспечивается SARAO через инициативу финансирования Программы финансовой помощи (FAP).
Ученые из SARAO и южноафриканских университетов широко представлены в различных научных рабочих группах SKA (SWG), при этом около 10% авторов статей в SKA Science Book связаны с южноафриканскими учреждениями. Крупные научные проекты MeerKAT (LSP) тесно связаны с научной деятельностью SKA, и между командами LSP и соответствующими SWG существует значительное дублирование членства.
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 в 2005 году инициировала программу развития потенциала. Программа полностью интегрирована в операционную деятельность. SARAO, и он создан для развития и удержания превосходных исследователей, инженеров и ремесленников, необходимых для обеспечения успеха MeerKAT и SKA в Южной Африке. На сегодняшний день программа предоставила более 1000 стипендий и стипендий на всех соответствующих академических уровнях и для ряда соответствующих квалификаций. Эта программа пользуется большим спросом среди коллег-академиков из-за границы из-за ее успеха в развитии, начиная с низкой базы, значительного опыта в области радиоастрономии за последние 14 лет.
Африканская сеть интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI) (AVN) является важным шагом на пути создания SKA на Африканском континенте. Программа AVN будет передавать навыки и знания африканским странам-партнерам SKA (Ботсвана, Гана, Кения, Мадагаскар, Маврикий, Мозамбик, Намибия и Замбия) для создания, обслуживания, эксплуатации и использования радиотелескопов.
MeerKAT также будет участвовать в глобальных операциях РСДБ со всеми основными радиоастрономическими обсерваториями по всему миру и значительно повысит чувствительность глобальной РСДБ-сети. Дальнейшими потенциальными научными задачами MeerKAT являются участие в поиске внеземного разума и сотрудничество с НАСА в загрузке информации с космических зондов.
