Matriz de kilómetros cuadrados

The Square Kilometer Array (abreviado SKA , en francés "Red de un kilómetro cuadrado") es un proyecto de radiotelescopio gigante, con un área colectora equivalente de un kilómetro cuadrado (como su nombre indica), compuesto por varias redes interferométricas en longitudes de onda métricas y centimétricas. SKA fue diseñado por un consorcio científico internacional para estudiar cuestiones científicas esenciales que van desde el nacimiento de nuestro Universo hasta los orígenes de la vida .

Su despliegue está planeado sucesivamente en dos sitios, en Sudáfrica y luego en Australia:

• La Fase 1 (SKA1), cuyo coste estimado es de 674 millones de euros (en valor de 2016) y el inicio de la construcción está previsto para 2020, para su puesta en servicio en 2024+, consiste en instalar alrededor del 10% de la red final, en la forma de aproximadamente 200 telescopios parabólicos ubicados en Sudáfrica (SKA1-MID) y 130.000 antenas fijas en fase que funcionan a bajas frecuencias en Australia Occidental (SKA1-LOW). SKA1 representará un salto cualitativo inmenso en comparación con los instrumentos existentes, y permitirá avances decisivos en todos los temas de la astrofísica y física modernas, como la cosmología , el origen de los campos magnéticos cósmicos, el entorno interestelar , la formación de estrellas en diferentes momentos en el Universo, ondas gravitacionales , etc.
• Fase 2 (SKA2) está previsto para los años 2030. En esta configuración final, SKA2 será el último instrumento de baja frecuencia radioastronomía del XXI °  siglo.

A partir de la fase 1, SKA será una de las máquinas más formidables jamás implementadas por humanos y, con mucho, la más impresionante en términos de rendimiento de datos y potencia informática. Comparado con Very Large Array , el mejor instrumento actual en este rango de frecuencia, SKA1-MID tendrá una resolución 4 veces mayor, será 5 veces más sensible y 60 veces más rápido para cubrir campos grandes (modo de estudio). Asimismo, SKA1-low será 8 veces más sensible y 125 veces más rápido que LOFAR , el mejor instrumento actual en el rango de baja frecuencia de SKA.

SKA observará ondas de radio de baja frecuencia y cubrirá un rango de longitudes de onda sin precedentes, desde aproximadamente 50 MHz (longitud de onda de 6 m) hasta más de 20 GHz (longitud de onda de 1,5 cm). Este amplio rango, comparable al conjunto suave X - UV - visible - infrarrojo cercano, así como la ganancia esperada en términos de velocidad de lectura y calidad de imagen en comparación con los radiotelescopios actuales, proporcionará acceso a una ciencia transformadora en longitudes. ondas métricas.

En Europa, SKA es reconocida como una importante infraestructura de investigación y un proyecto insignia del Foro Estratégico Europeo sobre Infraestructuras de Investigación (ESFRI).

Organización

Actualmente, el proyecto está siendo puesto a prueba por la Organización SKA ( SKAO ), una empresa británica sin fines de lucro, que será reemplazada por una organización intergubernamental , el Observatorio SKA. Esto debería implementarse gradualmente a partir de finales de 2018.

La sede de SKAO se encuentra en Jodrell Bank en el Reino Unido.

Desde que España se incorporó al 19 de junio de 2018, los miembros de la Organización SKA número 11.

Los observadores en el Consejo de SKAO son: Alemania, Francia representada por CNRS-INSU, Japón, Malta, Portugal y Suiza.

Histórico

La historia de SKA comienza a mediados de la década de 1980. Varias propuestas de radiotelescopios gigantes están motivadas por objetivos que van desde la detección de la línea HI de 21 cm a distancias cosmológicas o la búsqueda por radio de señales emitidas por civilizaciones extraterrestres ( SETI ) que requieren una significativa ganancia en sensibilidad y por lo tanto una gran superficie colectora. La superficie de 1 km 2 se discute particularmente en una conferencia de la IAU motivada por el décimo aniversario del Very Large Array en 1990 en Soccorro New Mexico.

1993: La Unión Internacional de Radiosciencias ( URSI ) crea un Grupo de Trabajo de Telescopios Grandes.

1994: la Unión Astronómica Internacional crea un grupo de trabajo sobre infraestructuras futuras muy grandes en astronomía.

1997: memorando de entendimiento entre ocho instituciones de seis países (Australia, Canadá, China, India, Países Bajos y Estados Unidos) para llevar a cabo un programa de estudios tecnológicos para un futuro radiotelescopio de gran tamaño.

1998: elección del nombre "SKA".

2000: firma de un Memorando de Entendimiento (MoU) entre representantes de once países: Alemania, Australia, Canadá, China, India, Italia, Países Bajos, Polonia, Reino Unido, Suecia y Estados Unidos, para el reemplazo de la dirección internacional de SKA comité.

2001: elección del logo.

2003: establecimiento de la oficina de proyectos SKA.

2005: MoU para el desarrollo de SKA; el comité directivo se amplía a 21 miembros (7 para Europa, 7 para Estados Unidos y 7 para el resto del mundo).

2007: elección de la Universidad de Manchester para albergar la oficina del proyecto SKA.

En Mayo de 2012, se toma la decisión final de construir SKA en dos sitios en Sudáfrica y Australia. En Australia, la parte de baja frecuencia del SKA se instalará en la región Mileura  (en) cerca de Meekatharra en los países occidentales. En Sudáfrica, la parte de frecuencia media del proyecto se ubicará en el desierto de Karoo en el suroeste.

Objetivos científicos

La emisión de 21cm de hidrógeno neutro

La idea del “Square Kilometer Array” se remonta a finales de la década de 1980. Originalmente se trataba de medir la línea de 21 cm de hidrógeno neutro (HI) de objetos ubicados a distancias cosmológicas, emisión que se desplaza hacia el rojo, por tanto hacia frecuencias más bajas (Ekers 2012 y sus referencias). En su versión actual, SKA sigue siendo una potente “máquina HI”, que nos permitirá estudiar cómo las galaxias adquieren y pierden su gas hidrógeno, cómo se transforma en estrellas, cómo se vincula a la posible presencia de un núcleo activo. y la densidad del medio ambiente. Al pasar de los telescopios actuales a SKA1, podremos realizar este tipo de observaciones a lo largo de gran parte de la historia del Universo: mediremos el contenido de HI de cientos de miles de galaxias, hasta un tiempo de respuesta de unas 5 a 6 mil millones de años, mientras que con los telescopios actuales la observación se limita a un número muy pequeño de galaxias ricas en gas observadas, como máximo hace entre 2 y 2,5 mil millones de años (Staveley-Smith & Oosterloo 2015).

Los primeros objetos luminosos

A principios de la década de 2000, comenzó a surgir otra aplicación científica excepcional de las mediciones de SKA en HI: el estudio del amanecer cósmico (“Amanecer Cósmico”) y la época de reionización (Época de Reionización). Estas fases del Universo comenzaron unos 100 y 280 millones de años después del Big Bang, cuando, tras la "Edad Media" en la que la materia del Universo estaba completamente dominada por el hidrógeno neutro, comenzaron las primeras fuentes (estrellas, galaxias ...) formar. Estos objetos luminosos pudieron ionizar el gas a su alrededor, pero son extremadamente difíciles de detectar porque su emisión es inherentemente débil y absorbida por el entorno circundante. SKA podrá mapear la estructura del gas HI en el que se forman estas fuentes, cuya distribución se caracterizará por vacíos: burbujas de material ionizado que rodean objetos luminosos. Estas mediciones, que requieren una sensibilidad exquisita y la capacidad de separar la señal de todo tipo de emisiones en primer plano, son extremadamente difíciles. Sin embargo, hay mucho en juego y claramente vale la pena invertir el tiempo del telescopio y los recursos significativos, ya que los astrónomos tendrán así un acceso único a las fases de la historia del Universo durante las cuales las estructuras primordiales observadas en el Fondo Cósmico de Microondas por otros telescopios. como Planck se han transformado en toda la variedad de fuentes que observamos en el Universo más local (Koopmans et al. 2015).

La sincronización de los púlsares

Un tercer caso científico importante para el proyecto SKA es el estudio de los púlsares .

Estas estrellas de neutrones altamente magnetizadas emiten radiación de radio que se detecta como un pulso cada vez que el rayo cruza nuestra línea de visión. Un púlsar es, por tanto, una "baliza cósmica", cuya luz se enciende y apaga con un período constante y extremadamente corto (los valores observados oscilan entre 1,4 ms y menos de 10 segundos).

La investigación de Pulsar ha ganado importancia con el tiempo. La primera razón es que son laboratorios de física reales en condiciones extremas, muy lejos de lo que podemos lograr en la Tierra, con campos gravitacionales muy fuertes, densidades de materia superiores a las densidades nucleares y campos magnéticos muy elevados. La segunda razón, cuya importancia es completamente evidente hoy después de la primera detección directa de ondas gravitacionales por las colaboraciones científicas LIGO y Virgo en 2015 y 2016), es que una red de púlsares puede usarse como un detector gigante de ondas gravitacionales . Los pulsos de estas estrellas de neutrones son extremadamente regulares (su estabilidad puede llegar a 10-16 ). Esto significa que incluso las pequeñas perturbaciones en el marco del espacio-tiempo, como las creadas por la propagación de una onda gravitacional, pueden detectarse mediante mediciones de la distancia del púlsar. Cuando se propagan a través de la red de púlsar, estas ondas gravitacionales pueden aumentar nuestra distancia de una de estas estrellas de neutrones y disminuir la distancia de las otras, aumentando o disminuyendo ligeramente los tiempos de permanencia. Por tanto, para detectar la propagación de ondas gravitacionales en el espacio, es posible utilizar medidas extremadamente precisas de los tiempos de llegada de los pulsos.

Campos magnéticos cósmicos

El SKA también será un instrumento único para el estudio de campos magnéticos en todo tipo de fuentes, a escalas espaciales que van desde unos pocos millones de kilómetros (eyecciones de masa coronal en el Sol) hasta decenas de Mpc (10 21 km, 1 parsec (pc) correspondiente a 3 10 13 km) para los filamentos cósmicos que conectan galaxias y cúmulos de galaxias en el Universo. Este estudio se realizará principalmente a través de la medición de rotación de Faraday (RM). De una manera muy simplificada, la señal de sincrotrón de las fuentes de radio está polarizada linealmente y su dirección de polarización gira a medida que pasa a través de un plasma magnetizado en primer plano antes de llegar a nuestros telescopios en la Tierra. Esta rotación depende del cuadrado de la longitud de onda observada y de una cantidad (la "Medida de rotación", RM) que depende de la intensidad del campo magnético atravesado. Entonces, si podemos detectar una gran cantidad de fuentes de radio de fondo, las observaciones de múltiples longitudes de onda nos permiten reconstruir la estructura 3D del campo magnético de primer plano. La gran ventaja del SKA sobre los mejores radiotelescopios actuales es que aumentará el número de fuentes de radio con una medición de RM de 40.000 a varios millones (Johnston-Hollitt et al. 2015).

Otros objetivos científicos

Si bien estos son los principales campos en los que SKA permitirá una ciencia transformacional que solo se puede lograr con este instrumento, otros sectores astrofísicos se beneficiarán enormemente. La evolución de las galaxias no solo se abordará a través de estudios de línea HI, sino también a través del análisis de la emisión de radio difusa, que es un poderoso trazador de galaxias activas , ya sean formación de estrellas o la presencia de un agujero negro central. En ambos casos detectamos radiación de sincrotrón continua, ligada a la presencia de electrones relativistas y campos magnéticos. En las galaxias activas de formación de estrellas, las explosiones de supernovas son responsables de la aceleración de los rayos cósmicos, mientras que en las galaxias de núcleo activo (AGN), el plasma relativista es expulsado del núcleo central compacto que alberga un agujero negro. Gracias a las observaciones de radio, podemos por tanto revelar los campos magnéticos dentro de las galaxias, estudiar la formación de estrellas desde nuestra Vía Láctea a galaxias con alto desplazamiento espectral (<4), pero también analizar el papel de los agujeros negros en la evolución de las galaxias a cosmológicas. distancias (Prandoni y Seymour 2015; Umana et al. 2015).

En el propio Universo local, uno de los casos científicos más apasionantes de SKA, donde será complementario a otros instrumentos, es lo que se denomina la "cuna de la vida". SKA debería poder estudiar discos protoplanetarios alrededor de estrellas jóvenes, la química orgánica de planetas terrestres similares a la Tierra e incluso detectar signos de posible vida extraterrestre en planetas en sistemas solares vecinos (experimento de búsqueda de inteligencia extraterrestre ( SETI )).

Los nuevos descubrimientos científicos, así como los avances tecnológicos, han ampliado considerablemente las ambiciones científicas de SKA, que abordará cuestiones abiertas que abarcan una variedad de campos de la astronomía y la física, en una amplia gama de escalas y en gran parte de la historia del Universo. .

Características técnicas

En su parte de baja frecuencia (50 a 350 MHz), el telescopio estará compuesto por cientos de miles de antenas elementales (como dipolos o elementos logperiódicos), que se colocarán en cientos de estaciones de pocos metros de diámetro. . La señal de todos los elementos dentro de una estación se combinará digitalmente y todas las estaciones trabajarán juntas para formar una red interferométrica . La separación entre estaciones variará desde unas pocas decenas de metros en una zona central, hasta varias decenas, incluso varios cientos, de kilómetros en la zona exterior. Esta parte de baja frecuencia del telescopio se construirá en el desierto de Murchison en Australia Occidental.

En las frecuencias más altas cubiertas por SKA (por encima de 350 MHz), la red constará de cientos de platos de 15 m de diámetro, inicialmente en el desierto de Karoo en Sudáfrica (a unos 500 km al norte de Ciudad del Cabo), luego se extenderá a otros estados desde África central al norte de África, con líneas de base máximas de cientos o incluso miles de kilómetros. Se planean más desarrollos técnicos para cubrir las frecuencias intermedias de SKA.

Estas cifras dan una idea de por qué SKA se considera un proyecto de “Big Data”. Desde la primera fase del proyecto (SKA1), estos elementos tan numerosos generan una enorme tasa de datos: varios terabytes por segundo. Incluso después del procesamiento de datos, la cantidad de datos archivados para su uso astronómico será del orden de 50 a 300 petabytes por año. Procesar y almacenar datos a principios de la década de 2020 requerirá supercomputadoras que sean aproximadamente 10 veces más potentes que las máquinas más rápidas disponibles en la actualidad.

Según Bernie Fanaroff (director de proyecto en Sudáfrica), la sensibilidad de esta red de radiotelescopios será tal que "una persona que utilice el SKA hacia la Tierra desde una estrella a 50 años luz de distancia podría detectarlos todos. Radares de aeropuerto y transmisores de televisión de todo el mundo ”.

Estado de construcción

Los elementos técnicos de SKA1

Como ocurre con la mayoría de los grandes proyectos científicos, el diseño de SKA se desglosó en varios paquetes de trabajo (WP) gestionados por consorcios internacionales responsables de elementos específicos del observatorio final.

Estos consorcios se formaron después de 2013, cuando SKAO envió una convocatoria de propuestas a todos los institutos de investigación y socios industriales potencialmente interesados. La organización o entidad líder para todas las propuestas tenía que estar ubicada en un país miembro de la Organización SKA; no se impusieron restricciones a los demás socios de la propuesta ni a los subcontratistas.

Aunque la Junta Directiva de SKA y SKAO han jugado un papel clave en la selección y coordinación de los consorcios, estos últimos operan de forma independiente y son totalmente responsables de financiar su trabajo.

SKAO ha definido once WP, que se enumeran a continuación, agrupados en dos grupos principales. Cabe señalar que, salvo algunas excepciones, el nombre de cada consorcio es el mismo que el del WP correspondiente.