![]() Ядро LOFAR около Экслоо, Нидерланды. Два моста слева дают ощущение масштаба. | |
Альтернативные названия | Низкочастотный массив |
---|---|
Местоположение(я) | 3 км к северу от Экслоо , Нидерланды (ядро) |
Координаты | 52°54′32″с.ш. 6°52′08″в.д. / 52.90889°с.ш. 6.86889°в.д. / 52.90889; 6.86889 |
Организация | АСТРОН |
Длина волны | 30 до 1,3 м ( радио ) |
Построено | 2006–2012 |
Телескопический стиль | Фазированная решетка из ~20 000 дипольных антенн |
Диаметр | 1000 км или более |
Зона сбора | до 1 км 2 |
Фокусное расстояние | Н/Д |
Монтаж | зафиксированный |
Веб-сайт | www.lofar.org |
![]() | |
Низкочастотная антенная решетка ( LOFAR ) — это большой радиотелескоп с антенной сетью, расположенной в основном в Нидерландах , а по состоянию на 2019 год охватывающей еще 7 европейских стран. Первоначально спроектированный и построенный ASTRON , Нидерландским институтом радиоастрономии, он был впервые открыт королевой Нидерландов Беатрикс в 2010 году и с тех пор эксплуатируется от имени Международного партнерства телескопов LOFAR (ILT) ASTRON.
LOFAR состоит из огромного массива всенаправленных радиоантенн, использующих современную концепцию, в которой сигналы от отдельных антенн не соединены напрямую электрически, чтобы действовать как одна большая антенна, как это происходит в большинстве антенных решеток . Вместо этого дипольные антенны LOFAR (двух типов) распределены по станциям, в которых сигналы антенн могут быть частично объединены в аналоговой электронике, затем оцифрованы, а затем снова объединены по всей станции. Этот пошаговый подход обеспечивает большую гибкость в настройке и быстром изменении направленной чувствительности на небе антенной станции. Затем данные со всех станций передаются по оптоволокну в центральный цифровой процессор и объединяются в программном обеспечении для имитации обычной антенны радиотелескопа с разрешающей способностью, соответствующей наибольшему расстоянию между антенными станциями по всей Европе. Таким образом, LOFAR представляет собой интерферометрическую решетку, использующую около 20 000 небольших антенн, сосредоточенных на 52 станциях с 2019 года. 38 из этих станций распределены по Нидерландам и построены за счет регионального и национального финансирования. Шесть станций в Германии , три в Польше и по одной во Франции , Великобритании , Ирландии , Латвии и Швеции с различным национальным, региональным и местным финансированием и владением. Италия официально присоединилась к Международному телескопу LOFAR (ILT) в 2018 году; строительство на месте обсерватории INAF в Медичине , недалеко от Болоньи , запланировано, как только станет доступно обновленное (так называемое LOFAR2.0) оборудование. [1] Дальнейшие станции в других европейских странах находятся на разных стадиях планирования. Общая эффективная площадь сбора составляет приблизительно 300 000 квадратных метров в зависимости от частоты и конфигурации антенны. [2] До 2014 года обработка данных выполнялась суперкомпьютером Blue Gene/P, расположенным в Нидерландах в Университете Гронингена . С 2014 года LOFAR использует для этой задачи коррелятор и формирователь луча на базе графического процессора COBALT. [3] LOFAR также является технологическим и научным первопроходцем для массива Square Kilometre Array .
LOFAR был задуман как инновационная попытка добиться прорыва в чувствительности астрономических наблюдений на радиочастотах ниже 250 МГц. Астрономические радиоинтерферометры обычно состоят из массивов параболических тарелок (например, One-Mile Telescope или Very Large Array ), массивов одномерных антенн (например, Molonglo Observatory Synthesis Telescope ) или двумерных массивов всенаправленных антенн (например, Interplanetary Scintillation Array Энтони Хьюиша ) .
LOFAR сочетает в себе аспекты многих из этих более ранних телескопов; в частности, он использует всенаправленные дипольные антенны в качестве элементов фазированной решетки на отдельных станциях и объединяет эти фазированные решетки с помощью метода синтеза апертуры, разработанного в 1950-х годах. Как и более ранний низкочастотный радиотелескоп Cambridge Low Frequency Synthesis Telescope (CLFST), конструкция LOFAR была сосредоточена на использовании большого количества относительно дешевых антенн без каких-либо подвижных частей, сосредоточенных на станциях, с картографированием, выполняемым с помощью программного обеспечения для синтеза апертуры . Направление наблюдения («луч») станций выбирается электронным способом с помощью фазовых задержек между антеннами. LOFAR может вести наблюдение в нескольких направлениях одновременно, пока агрегированная скорость передачи данных остается ниже ее предела. Это в принципе допускает многопользовательскую работу. [4]
LOFAR проводит наблюдения в диапазоне частот от 10 МГц до 240 МГц с двумя типами антенн: антенна с низким диапазоном (LBA) и антенна с высоким диапазоном (HBA), оптимизированные для 10–80 МГц и 120–240 МГц соответственно. [5] Электрические сигналы со станций LOFAR оцифровываются, передаются в центральный цифровой процессор и объединяются в программном обеспечении для составления карты неба. Таким образом, LOFAR является «программным телескопом». [6] Стоимость таких телескопов определяется стоимостью электроники и, следовательно, в основном будет следовать закону Мура , становясь дешевле со временем и позволяя строить все более крупные телескопы. Каждая антенна довольно проста, но в массиве LOFAR их около 20 000. [4]
Для проведения радиообзоров неба с соответствующим разрешением антенны организованы в кластеры, которые разбросаны по площади более 1000 км в диаметре. Станции LOFAR в Нидерландах достигают базовых линий около 100 км. В настоящее время LOFAR получает данные с 24 основных станций (в Экслоо ), 14 «удалённых» станций в Нидерландах и 14 международных станций. Каждая из основных и удалённых станций имеет 48 HBA и 96 LBA и в общей сложности 48 цифровых приёмных блоков (RCU). Международные станции имеют 96 LBA и 96 HBA и в общей сложности 96 цифровых приёмных блоков (RCU). [7]
Расположение международных станций LOFAR:
Телескоп NenuFAR размещен на радиотелескопе Nançay . Это расширение станции Nançay LOFAR (FR606), добавляющее 96 низкочастотных плиток, каждая из которых состоит из «мини-массива» из 19 скрещенных дипольных антенн, распределенных по кругу диаметром около 400 м. Плитки представляют собой гексагональный кластер с аналогово-фазированными антеннами. Телескоп может захватывать радиочастоты в диапазоне 10–85 МГц, охватывая также диапазон LOFAR-Low Band (30–80 МГц). Массив NenuFAR может работать как высокочувствительная LOFAR-совместимая станция super-LBA (LSS), работающая вместе с остальной частью LOFAR для увеличения глобальной чувствительности массива почти в два раза и улучшения возможностей визуализации массива. Он также может функционировать как второе суперядро для улучшения доступности массива. Благодаря специальному приемнику NenuFAR может также работать как автономный прибор, известный в этом режиме как NenuFAR/Standalone. [18] [19]
Кроме того, набор антенн LOFAR развернут на KAIRA (Kilpisjärvi Atmospheric Imaging Receiver Array) около Килписъярви , Финляндия . Эта установка функционирует как приемник VHF либо в автономном режиме, либо как часть бистатической радиолокационной системы вместе с передатчиком EISCAT в Тромсё . [20]
Требования к передаче данных находятся в диапазоне нескольких гигабит в секунду на станцию, а необходимая вычислительная мощность составляет несколько десятков Терафлопс . Данные из LOFAR хранятся в долгосрочном архиве LOFAR. [21] Архив реализован как распределенное хранилище, с данными, распределенными по центру обработки данных Target , расположенному в Центре информационных технологий Дональда Смитса в Университете Гронингена , центре SURFsara в Амстердаме и исследовательском центре Jülich в Германии.
Миссия LOFAR заключается в картографировании Вселенной на радиочастотах от ~10 до 240 МГц с большим разрешением и большей чувствительностью, чем в предыдущих обзорах, таких как обзоры 7C и 8C , а также обзоры с помощью Очень большого массива (VLA) и Гигантского радиотелескопа метрового диапазона (GMRT) .
LOFAR будет самой чувствительной радиообсерваторией на низких частотах наблюдения, пока Square Kilometre Array (SKA) не вступит в строй в конце 2020-х годов. Даже тогда SKA будет вести наблюдения только на частотах >50 МГц, а угловое разрешение LOFAR останется намного выше.
Чувствительность и пространственное разрешение, достигаемые с помощью LOFAR, делают возможными несколько фундаментальных новых исследований Вселенной, а также способствуют уникальным практическим исследованиям окружающей среды Земли. В следующем списке термин z является безразмерной величиной, указывающей красное смещение радиоисточников, наблюдаемых LOFAR.
Одним из самых захватывающих, но технически наиболее сложных приложений LOFAR станет поиск смещенного в красную сторону излучения линии 21 см из эпохи реионизации (EoR). [23] Считается, что «Темные века», период после рекомбинации, когда Вселенная стала нейтральной, длились примерно до z=20. Результаты поляризации WMAP , по-видимому, предполагают, что могли быть продолжительные или даже множественные фазы реионизации, начало которых, возможно, приходится на z~15–20 и заканчивается на z~6. Используя LOFAR, можно исследовать диапазон красного смещения от z=11,4 (115 МГц) до z=6 (200 МГц). Ожидаемый сигнал мал, и отделить его от гораздо более сильного фонового излучения сложно.
Одним из важнейших применений LOFAR будет проведение обзоров большого неба. Такие обзоры хорошо подходят для характеристик LOFAR и были обозначены как один из ключевых проектов, которые двигали LOFAR с момента его создания. Такие глубокие обзоры LOFAR доступного неба на нескольких частотах предоставят уникальные каталоги радиоисточников для исследования нескольких фундаментальных областей астрофизики, включая образование массивных черных дыр , галактик и скоплений галактик. Поскольку обзоры LOFAR будут исследовать неисследованный параметр Вселенной, вполне вероятно, что они откроют новые явления. В феврале 2021 года астрономы впервые опубликовали изображение с очень высоким разрешением 25 000 активных сверхмассивных черных дыр , охватывающих четыре процента северного небесного полушария , основанное на сверхнизких радиоволнах , обнаруженных LOFAR. [24]
Сочетание низких частот, всенаправленных антенн, высокоскоростной передачи данных и вычислений означает, что LOFAR откроет новую эру в мониторинге радионеба. Будет возможно сделать чувствительные радиокарты всего неба, видимого из Нидерландов (около 60% всего неба) всего за одну ночь. Кратковременные радиоявления, на которые только намекали предыдущие узкополосные обзоры, будут обнаружены, быстро локализованы с беспрецедентной точностью и автоматически сравнены с данными с других объектов (например, гамма-лучевых, оптических и рентгеновских обсерваторий). Такие кратковременные явления могут быть связаны со взрывающимися звездами, черными дырами, вспышками на солнцеподобных звездах, радиовсплесками от экзопланет или даже сигналами SETI . [25] Кроме того, этот ключевой научный проект проведет глубокий обзор радиопульсаров на низких радиочастотах и попытается обнаружить гигантские радиовсплески от вращающихся нейтронных звезд в далеких галактиках.
LOFAR предлагает уникальную возможность в физике элементарных частиц для изучения происхождения космических лучей высоких и сверхвысоких энергий (HECR и UHECR) при энергиях от 1015–1020,5 эВ. [26] Как места, так и процессы ускорения частиц неизвестны. Возможными источниками этих HECR являются ударные волны в радиодолях мощных радиогалактик, межгалактические ударные волны, созданные в эпоху формирования галактик, так называемые гиперновые, гамма-всплески или продукты распада сверхмассивных частиц из топологических дефектов, оставшихся от фазовых переходов в ранней Вселенной. Первичным наблюдаемым является интенсивный радиоимпульс, который возникает, когда первичный КЛ попадает в атмосферу и производит обширный атмосферный ливень (EAS). EAS выровнен вдоль направления движения первичной частицы, и существенная часть его компонента состоит из электронно-позитронных пар , которые испускают радиоизлучение в земной магнитосфере (например, геосинхротронное излучение).
LOFAR открывает окно в пока неисследованные низкоэнергетические синхротронные радиоволны, испускаемые электронами космических лучей в слабых магнитных полях. Очень мало известно о происхождении и эволюции космических магнитных полей. Пространство вокруг галактик и между галактиками может быть магнитным, и LOFAR может быть первым, кто обнаружит слабое радиоизлучение из таких областей. LOFAR также измерит эффект Фарадея , который представляет собой вращение плоскости поляризации низкочастотных радиоволн, и дает еще один инструмент для обнаружения слабых магнитных полей. [27]
Солнце является интенсивным источником радиоизлучения. Уже сильное тепловое излучение 10На горячую солнечную корону температурой 6 Кнакладываются интенсивные радиовсплески, которые связаны с явлениями солнечной активности, такими как вспышки и корональные выбросы массы (CME). Солнечное радиоизлучение в диапазоне частот LOFAR испускается в средней и верхней короне. Поэтому LOFAR является идеальным инструментом для изучения запуска CME, направляющихся в межпланетное пространство. Возможности визуализации LOFAR дадут информацию о том, могут ли такие CME достичь Земли. Это делает LOFAR ценным инструментом дляизучения космической погоды .
Наблюдения за Солнцем с LOFAR будут включать рутинный мониторинг солнечной активности как корня космической погоды. Кроме того, гибкость LOFAR позволяет быстро реагировать на солнечные радиовсплески с последующими наблюдениями. Солнечные вспышки производят энергичные электроны, которые не только приводят к испусканию нетеплового солнечного радиоизлучения. Электроны также испускают рентгеновские лучи и нагревают окружающую плазму. Поэтому совместные кампании наблюдений с другими наземными и космическими инструментами, например, RHESSI , Hinode , Solar Dynamics Observatory (SDO) и, в конечном итоге, Advanced Technology Solar Telescope и Solar Orbiter, дают представление об этом фундаментальном астрофизическом процессе.
В начале 1990-х годов изучение технологии апертурных решеток для радиоастрономии активно изучалось ASTRON — Нидерландским институтом радиоастрономии. В то же время в ASTRON и голландских университетах начал проявляться научный интерес к низкочастотному радиотелескопу. В 1999 году было проведено исследование осуществимости и велся поиск международных партнеров. В 2000 году Правление ASTRON создало Руководящий комитет LOFAR в Нидерландах с представителями всех заинтересованных голландских университетских отделений и ASTRON.
В ноябре 2003 года правительство Нидерландов выделило 52 миллиона евро на финансирование инфраструктуры LOFAR в рамках программы Bsik. В соответствии с руководящими принципами Bsik, LOFAR финансировался как многопрофильная сенсорная решетка для содействия исследованиям в области геофизики , компьютерных наук и сельского хозяйства , а также астрономии .
В декабре 2003 года вступила в строй начальная испытательная станция LOFAR (ITS). Система ITS состоит из 60 инверсных V-образных диполей; каждый диполь подключен к малошумящему усилителю (LNA), который обеспечивает достаточное усиление входящих сигналов для их передачи по коаксиальному кабелю длиной 110 м в приемный блок (RCU).
26 апреля 2005 года в математическом центре Университета Гронингена был установлен суперкомпьютер IBM Blue Gene/L для обработки данных LOFAR . На тот момент это был второй по мощности суперкомпьютер в Европе после MareNostrum в Барселоне . [28] С 2014 года еще более мощный вычислительный кластер (коррелятор) под названием COBALT выполняет корреляцию сигналов со всех отдельных станций. [29]
В августе/сентябре 2006 года первая станция LOFAR ( базовая станция CS001 , она же CS1 52°54′32″N 6°52′8″E / 52.90889°N 6.86889°E / 52.90889; 6.86889 ) была выведена на поле с использованием опытного оборудования. Всего 96 двухдипольных антенн (эквивалент полной станции LOFAR) сгруппированы в четыре кластера, центральный кластер с 48 диполями и другие три кластера с 16 диполями в каждом. Каждый кластер имеет размер около 100 м. Кластеры распределены на площади диаметром ~500 м.
В ноябре 2007 года первая международная станция LOFAR ( DE601 ) рядом с радиотелескопом Эффельсберг 100 м стала первой рабочей станцией. Первая полностью укомплектованная станция ( CS302 ) на краю ядра LOFAR была доставлена в мае 2009 года, а в 2013 году было запланировано завершить строительство в общей сложности 40 голландских станций. К 2014 году 38 станций в Нидерландах, пять станций в Германии (Эффельсберг, Таутенбург, Унтервайленбах, Борним/Потсдам и Юлих) и по одной в Великобритании (Чилболтон), во Франции (Нансай) и в Швеции (Онсала) были в рабочем состоянии.
LOFAR был официально открыт 12 июня 2010 года королевой Нидерландов Беатрикс. [30] Регулярные наблюдения начались в декабре 2012 года. [ необходима ссылка ]