Телескопическая решетка Аллена ( ATA ) , ранее известная как Телескоп одного гектара ( 1hT ), представляет собой группу радиотелескопов, предназначенную для астрономических наблюдений и одновременного поиска внеземного разума (SETI). [1] [2] Массив расположен в радиообсерватории Хэт-Крик в округе Шаста , в 290 милях (470 км) к северо-востоку от Сан-Франциско , Калифорния.
Первоначально проект был разработан как совместная работа Института SETI и Радиоастрономической лаборатории (RAL) Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) на средства, полученные в результате первоначального пожертвования Пола Г. Аллена в размере 12,5 миллионов долларов США. Семейный фонд и Натан Мирвольд . [3] Первый этап строительства был завершен, и 11 октября 2007 года ATA наконец вступил в эксплуатацию с 42 антеннами (ATA-42) после того, как Пол Аллен (соучредитель Microsoft ) пообещал выделить дополнительные 13,5 миллионов долларов на поддержку строительства первая и вторая фазы. [4] [5]
Хотя в целом Аллен вложил в проект более 30 миллионов долларов, ему не удалось построить 350 первоначально задуманных антенн диаметром 6,1 м (20 футов) [6] , и в период с апреля по август 2011 года проект был приостановлен из-за нехватки финансирования. , 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 (бывший Стэнфордский исследовательский институт), независимый некоммерческий исследовательский институт. [11] По состоянию на 2016 год Институт SETI проводит наблюдения [12] с помощью ATA с 18:00 до 6:00 ежедневно.
В августе 2014 года объекту угрожал лесной пожар в этом районе, и его ненадолго пришлось остановить, но в конечном итоге он остался практически невредимым. [13]
Впервые задуманная пионером SETI Фрэнком Дрейком , эта идея была мечтой Института SETI на протяжении многих лет. Однако только в начале 2001 года исследования и разработки начались после пожертвования в размере 11,5 миллионов долларов 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 (сооснователя Microsoft ) выделить 13,5 миллионов долларов 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.
ATA — это антенная решетка сантиметрового диапазона волн , которая является пионером концепции создания радиотелескопов «большое число — малый диаметр» . По сравнению с большой тарелочной антенной большое количество меньших тарелок обходится дешевле для той же площади сбора. Чтобы получить одинаковую чувствительность, сигналы всех телескопов необходимо объединить. Для этого требовалась высокопроизводительная электроника, которая была непомерно дорогой. Из-за снижения стоимости электронных компонентов необходимая электроника стала практичной, что привело к значительной экономии средств по сравнению с телескопами более традиционной конструкции. Неофициально это называется «заменой стали кремнием».
АТА обладает четырьмя основными техническими возможностями, которые делают ее хорошо подходящей для широкого спектра научных исследований: очень широкое поле зрения (2,45° при λ = 21 см, длина волны линии водорода ), полный мгновенный охват частот от 0,5 до 11,2. гигагерца (ГГц), несколько одновременных серверных частей и активное подавление помех. Площадь неба, которую можно мгновенно получить, в 17 раз превышает площадь, которую можно получить с помощью телескопа Very Large Array . Мгновенный охват частот более четырех октав является беспрецедентным в радиоастрономии и является результатом уникальной конструкции источника питания, входного усилителя и тракта прохождения сигнала. Активное подавление помех позволит вести наблюдение даже на частотах многих наземных радиоизлучателей .
Обзоры всего неба являются важной частью научной программы, [ необходимы разъяснения ], и ATA будет иметь повышенную эффективность благодаря своей способности проводить поиск внеземного разума (SETI) и другие радиоастрономические наблюдения одновременно. Телескоп может сделать это, разделив 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, обеспечиваемом 6-метровыми тарелками. По соглашению между Радиоастрономической лабораторией Калифорнийского университета в Беркли (RAL) и Институтом SETI , потребности традиционной радиоастрономии определяли наведение антенной решетки до 2012 года.
Планируется, что ATA будет состоять из 350 антенн диаметром 6 м и позволит проводить большие и глубокие радиообследования, которые ранее были невозможны. Конструкция телескопа включает в себя множество новых функций, в том числе гидроформованные поверхности антенн, логопериодический облучатель, охватывающий весь диапазон частот от 500 МГц (МГц) до 11,2 ГГц, а также малошумящие широкополосные усилители с ровной характеристикой во всем диапазоне частот. диапазон, что позволяет напрямую усиливать сигнал неба. Этот усиленный сигнал, содержащий всю принимаемую полосу пропускания, передается от каждой антенны в комнату обработки по оптоволоконным кабелям. Это означает, что по мере совершенствования электроники и получения более широкой полосы пропускания необходимо менять только центральный процессор, а не антенны или каналы.
Прибор эксплуатировался и обслуживался RAL до тех пор, пока разработка решетки не была приостановлена в 2011 году. RAL работала рука об руку с Институтом SETI во время проектирования и прототипирования и была основным разработчиком облучателя, поверхностей антенны, формирования диаграммы направленности , коррелятора и система визуализации для радиоастрономических наблюдений.
Группа Десятилетнего обзора астрономии и астрофизики в своем пятом отчете « Астрономия и астрофизика в новом тысячелетии» (2001 г.) одобрила SETI и признала ATA (тогда называвшийся телескопом площадью 1 гектар ) в качестве важного шага на пути к созданию Телескоп с решеткой «Квадратный километр» (СКА). В последнем десятилетнем отчете рекомендовалось прекратить финансовую поддержку SKA со стороны США, несмотря на участие США в предшественниках SKA, таких как MeerKAT , Hydrogen Epoch of Reionization Array и Murchison Widefield Array .
Хотя смета затрат на незавершенные проекты всегда сомнительна, а характеристики не идентичны (обычные телескопы имеют более низкую шумовую температуру , но ATA имеет большее поле зрения , например), ATA потенциально перспективен как гораздо более дешевая технология радиотелескопа. для данной эффективной апертуры. Например, сумма, потраченная на первый этап ATA-42, включая разработку технологии, составляет примерно треть стоимости нового экземпляра 34-метровой антенны Deep Space Network с аналогичной площадью сбора. [14] Аналогичным образом, предполагаемая общая стоимость строительства остальных 308 тарелок оценивалась (по состоянию на октябрь 2007 года [update]) примерно в 41 миллион долларов. [4] Это примерно в два раза дешевле, чем стоимость последней крупной радиоастрономической антенны, построенной в США, — телескопа Грин-Бэнк — в 85 миллионов долларов , с аналогичной площадью сбора. Подрядчик подал заявление о перерасходе в 29 миллионов долларов, но из этой суммы было разрешено только 4 миллиона долларов. [15]
ATA стремится стать одним из крупнейших и быстрейших наблюдательных инструментов в мире и позволить астрономам одновременно искать множество различных целевых звезд. Если он будет завершен, как первоначально предполагалось, это будет один из самых больших и мощных телескопов в мире.
С момента своего создания ATA была инструментом разработки [ необходимы пояснения ] для технологии астрономических интерферометров (в частности, для массива квадратных километров ). [16]
Первоначально планировалось построить ATA в четыре этапа: ATA-42, ATA-98, ATA-206 и ATA-350, где каждое число представляет количество антенн в массиве в данный момент. (См. Таблицу 1). Планируется, что АТА будет состоять из 350 тарелок диаметром 6 м каждая.
Регулярные операции с 42 антеннами начались 11 октября 2007 года. [4] В настоящее время Институт SETI ищет финансирование для строительства дополнительных антенн из различных источников, включая ВМС США , Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA), Национальный научный фонд ( НФС) и частные доноры.
Одновременные астрономические наблюдения и наблюдения SETI выполняются с помощью двух корреляторов изображений с двойной поляризацией с 32 входами . [17] Было опубликовано множество статей, сообщающих о традиционных радиоастрономических наблюдениях. [18] [19] [20] [21]
Три формирователя луча с фазированной решеткой [22] , использующие механизм Berkeley Emulation Engine 2 (BEE2), были развернуты в июне 2007 года и интегрированы в систему, чтобы обеспечить возможность одновременного проведения астрономических наблюдений и наблюдений SETI. [23] [24] По состоянию на апрель 2008 года первые наблюдения пульсаров были проведены с использованием формирователя луча и специально построенного пульсарного спектрометра . [25]
Рабочая поисковая система SETI (SETI на ATA или SonATA) выполняет полностью автоматизированные наблюдения SETI. SonATA отслеживает обнаруженные сигналы в режиме реального времени и продолжает отслеживать их до тех пор, пока 1) не будет показано, что сигнал был сгенерирован на Земле или редко, 2) не установлен источник, который запускает последующие действия на следующий день. По состоянию на 2016 год с помощью ATA было прослежено и классифицировано более двухсот миллионов сигналов . Ни один из этих сигналов не имел всех характеристик, ожидаемых от сигнала ETI. Результаты наблюдений Института SETI опубликованы в ряде статей. [26] [27] [28]
В апреле 2011 года ATA был переведен в режим гибернации из-за нехватки финансирования, а это означает, что он больше не был доступен для использования. [29] Работа АТА возобновилась 5 декабря 2011 года. [10] В настоящее время усилиями руководит Эндрю Симион . [30]
В 2012 году ATA финансировалась за счет благотворительного пожертвования в размере 3,6 миллиона долларов Франклина Антонио, соучредителя и главного научного сотрудника Qualcomm Incorporated . [31] Этот подарок поддерживает модернизацию всех приемников на антеннах ATA, чтобы они имели значительно большую чувствительность (2–10 × от 1–8 ГГц), чем раньше, и поддерживали чувствительные наблюдения в более широком диапазоне частот, от 1–15 ГГц, когда изначально радиочастотная электроника работала только на 11 ГГц. К июлю 2016 года первые десять таких приемников были установлены и проверены. Полная установка всех 42 антенн запланирована на июнь 2017 года [update]. [32] [ нужно обновить ]
В ноябре 2015 года АТА изучила аномальную звезду KIC 8462852 , [33] [34] , а осенью 2017 года телескоп Аллена исследовал межзвездный астероид Оумуамуа на наличие признаков технологии, 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 развития, упомянутых ранее. (См. Таблицу 1). Также перечислены некоторые научные достижения, которые, как ожидается, будут созданы каждым из них.
С момента начала строительства установки было предложено несколько научных целей, специально для нее не сформулированных.
Например, компания Allen Telescope Array предложила предоставить нисходящую связь с данными лунных прогнозов для всех участников конкурса Google Lunar X Prize . [37] Это практично, поскольку антенная решетка без каких-либо модификаций покрывает основные диапазоны космической связи (S-диапазон и X-диапазон). Декодер телеметрии будет единственным необходимым дополнением.
Также ATA упоминался как кандидат для поиска нового типа радиотранзиентов . [38] Это отличный выбор для этой цели благодаря большому полю зрения и широкой мгновенной полосе пропускания. Следуя этому предложению, Эндрю Симион и международная группа астрономов и инженеров разработали инструмент под названием «Fly's Eye», который позволил ATA искать яркие транзиентные радиосигналы, и наблюдения проводились в период с февраля по апрель 2008 года. [39]
Конфигурация ATA-42 обеспечит максимальную базовую длину 300 м (и, в конечном итоге, для ATA-350 — 900 м). Охлаждаемый логопериодический облучатель на каждой антенне рассчитан на обеспечение температуры системы ~45К 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 полос промежуточной частоты по 672 МГц. Два IF поддерживают корреляторы для визуализации; два будут поддерживать наблюдение SETI . Все настройки могут создавать четыре луча с фазированной решеткой с двойной поляризацией , которые можно независимо наводить внутри основного луча и использовать с различными детекторами. Таким образом, ATA может синтезировать до 32 лучей с фазированной решеткой.
Широкое поле зрения ATA дает ему беспрецедентные возможности для проведения крупных съемок (рис. 4). Время, необходимое для картографирования большой площади с заданной чувствительностью, пропорционально ( ND ) 2 , где N — количество элементов, а D — диаметр антенны. Это приводит к удивительному результату: большой массив маленьких тарелок может превзойти массив с меньшим количеством элементов, но значительно большей площадью сбора в задаче больших исследований. Как следствие, даже ATA-42 может конкурировать с гораздо более крупными телескопами по своим возможностям как для съемки яркостной температуры, так и для съемки точечными источниками . Для съемки точечных источников ATA-42 сравним по скорости со скоростью Аресибо и телескопа Грин-Бэнк (GBT), но в три раза медленнее, чем Very Large Array (VLA). С другой стороны, ATA-350 будет на порядок быстрее, чем Very Large Array для съемки с точечными источниками, и сравним по скорости съемки с Expanded Very Large Array (EVLA). Для съемки с заданной чувствительностью к яркостной температуре ATA-98 превысит скорость съемки даже конфигурации VLA-D. ATA-206 должен соответствовать яркостной чувствительности Arecibo и GBT. Однако ATA обеспечивает лучшее разрешение, чем любой из этих однозеркальных телескопов.
Антенны для ATA представляют собой гидроформированные офсетные григорианские телескопы размером 6,1 x 7,0 метров (20,0 x 23,0 футов) , каждый из которых имеет субрефлектор длиной 2,4 метра с соотношением эффективного фокусного расстояния к диаметру (f/D) 0,65. (См. ДеБоер, 2001). Смещенная геометрия устраняет блокировку, что повышает эффективность и уменьшает боковые лепестки . Это также позволяет использовать большой субрефлектор, обеспечивающий хорошие низкочастотные характеристики. Технология гидроформинга, используемая для изготовления этих поверхностей, такая же, как и технология, используемая компанией Andersen Manufacturing из Айдахо-Фолс, штат Айдахо, для производства недорогих спутниковых рефлекторов. Уникальное компактное крепление на внутренней раме, поддерживаемое ободом, обеспечивает превосходную производительность при низкой цене. В системе привода используется подпружиненный пассивный безлюфтовый привод по азимуту. Большинство компонентов разработано Мэтью Флемингом и произведено в Minex Engineering Corp. в Антиохии, Калифорния .
Как и в случае с другими массивами , огромное количество поступающей сенсорной информации требует возможности обработки массива в реальном времени , чтобы уменьшить объем данных для хранения. Для ATA-256 средние скорости передачи данных и общий объем данных для коррелятора оцениваются в 100 Мбайт/с и 15 Пбайт за пятилетний период исследования. [40] Эксперименты, такие как исследования переходных процессов, значительно превысят этот показатель. Формирователи луча производят данные с гораздо более высокой скоростью (8 гигабайт в секунду (Гбит/с)), но архивируется лишь очень небольшая часть этих данных. В 2009 году аппаратное и программное обеспечение для обнаружения сигналов называлось Prelude и состояло из монтируемых в стойку ПК, дополненных двумя специальными платами-ускорителями на основе микросхем цифровой обработки сигналов (DSP) и программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA). Каждый программируемый модуль обнаружения (один из 28 ПК) может анализировать входные данные двойной поляризации на частоте 2 МГц для генерации спектров со спектральным разрешением 0,7 Гц и временными выборками 1,4 секунды. [40]
В 2009 году массив имел подключение к Интернету со скоростью 40 Мбит/с , достаточное для удаленного доступа и передачи данных для ATA-256. Планировалось повысить скорость до 40 Гбит/с , что позволит напрямую распределять необработанные данные для удаленных вычислений. [40]
Как и другие системы массивов, ATA имеет вычислительную сложность и кросс-коммутацию, которая масштабируется как O (N 2 ) в зависимости от количества антенн . Требования к вычислениям, например, для корреляции полной полосы пропускания ATA ( = 11 ГГц) для предлагаемой конструкции антенны с двойной поляризацией = 350, с использованием эффективной архитектуры умножения частоты (FX) и скромной ширины канала 500 кГц (с количество каналов = 2200), определяется по формуле: [41]
= 44 Пета- ОП в секунду
где операция . Обратите внимание: поскольку каждая антенна имеет антенну с двойной поляризацией, каждая выборка сигнала фактически представляет собой набор из двух данных, следовательно .
До сих пор ограниченные наблюдения Оумуамуа с использованием таких объектов, как телескоп Аллена Института SETI, ничего не дали.