Ядро LOFAR («супертерп») возле Exloo, Нидерланды. Мосты дают представление о масштабах. | |
Альтернативные названия | Низкочастотный массив |
---|---|
Местоположение (а) | 3 км к северу от Exloo, Нидерланды (core) |
Координаты | 52 ° 54′32 ″ с.ш., 6 ° 52′08 ″ в.д. / 52,90889 ° с. Ш. 6,86889 ° в. / 52.90889; 6,86889 Координаты : 52 ° 54′32 ″ с.ш., 6 ° 52′08 ″ в.д. / 52,90889 ° с. Ш. 6,86889 ° в. / 52.90889; 6,86889 |
Организация | АСТРОН |
Длина волны | От 30 до 1,3 м ( радио ) |
Построено | 2006–2012 |
Стиль телескопа | Фазированная антенная решетка из ~ 20000 дипольных антенн |
Диаметр | 1000 км и более |
Зона сбора | до 1 км 2 |
Фокусное расстояние | N / A |
Монтаж | исправлено |
Интернет сайт | http://www.lofar.org |
Расположение низкочастотного массива | |
Связанные СМИ на Викискладе? | |
[ редактировать в Викиданных ] |
Низкочастотный массив или LOFAR, большой радиотелескоп сети расположены в основном в Нидерландах, завершено в 2012 году ASTRON, Нидерландского института радиоастрономии и ее международными партнерами, и управляется по радио обсерватории ASTRON, в Нидерландской организации по Научное исследование.
LOFAR состоит из огромного массива всенаправленных антенн, использующих новую концепцию, в которой сигналы от отдельных антенн не объединяются в реальном времени, как в большинстве антенных решеток. Электронные сигналы от антенн оцифровываются, передаются в центральный цифровой процессор и объединяются в программном обеспечении для имитации обычной антенны. Проект основан на интерферометрической решетке радиотелескопов, использующей около 20 000 малых антенн, сосредоточенных в настоящее время на 52 станциях. 38 из этих станций распределены по Нидерландам и были профинансированы ASTRON. Эти страны финансировали шесть станций в Германии, три в Польше и по одной во Франции, Великобритании, Ирландии, Латвии и Швеции. Италия официально присоединилась к Международному телескопу LOFAR (ILT) в 2018 году, и вскоре после 2020 года должна была заработать станция недалеко от Болоньи. Другие станции также могут быть построены в других европейских странах. Общая эффективная площадь сбора составляет примерно 300 000 квадратных метров, в зависимости от частоты и конфигурации антенны. До 2014 года обработку данных выполнял суперкомпьютер Blue Gene / P, расположенный в Нидерландах в Университете Гронингена. С 2014 года LOFAR использует для этой задачи коррелятор и формирователь луча на базе графического процессора COBALT. LOFAR также является технологическим предшественником массива квадратных километров.
LOFAR был задуман как инновационная попытка добиться прорыва в чувствительности для астрономических наблюдений на радиочастотах ниже 250 МГц. Астрономические радиоинтерферометры обычно состоят из массивов параболических антенн (например, One-Mile Telescope или Very Large Array ), массивов одномерных антенн (например, синтезируемого телескопа обсерватории Молонгло ) или двумерных массивов всенаправленных антенн (например, Antony Хьюиш «s межпланетных мерцаний массив ).
LOFAR сочетает в себе аспекты многих из этих ранних телескопов; в частности, он использует всенаправленные дипольные антенны в качестве элементов фазированной решетки на отдельных станциях и объединяет эти фазированные решетки с использованием метода синтеза апертуры, разработанного в 1950-х годах. Подобно более раннему низкочастотному радиотелескопу Cambridge Low Frequency Synthesis Telescope (CLFST), конструкция LOFAR сосредоточена на использовании большого количества относительно дешевых антенн без каких-либо движущихся частей, сосредоточенных на станциях, с картированием, выполняемым с помощью программного обеспечения для синтеза апертуры.. Направление наблюдения («луч») станций выбирается электронным способом по фазовым задержкам между антеннами. LOFAR может вести наблюдение в нескольких направлениях одновременно, пока агрегированная скорость передачи данных остается ниже установленной. Это в принципе позволяет работать с несколькими пользователями.
LOFAR проводит наблюдения в диапазоне частот от 10 МГц до 240 МГц с помощью двух типов антенн: антенны нижнего диапазона (LBA) и антенны диапазона высоких частот (HBA), оптимизированных для частот 10–80 МГц и 120–240 МГц соответственно. Электрические сигналы от станций LOFAR оцифровываются, передаются в центральный цифровой процессор и объединяются в программном обеспечении для построения карты неба. Следовательно, LOFAR - это «программный телескоп». В стоимости таких телескопов преобладает стоимость электроники, и поэтому они в основном будут соответствовать закону Мура, со временем дешевеют и позволяют строить все более крупные телескопы. Каждая антенна довольно проста, но в массиве LOFAR их около 20 000.
Для проведения радиообзоров неба с адекватным разрешением антенны собираются в группы, которые разбросаны по площади более 1000 км в диаметре. Станции LOFAR в Нидерландах достигают исходной отметки около 100 км. В настоящее время LOFAR получает данные с 24 базовых станций (в Exloo ), 14 «удаленных» станций в Нидерландах и 14 международных станций. Каждая из основных и удаленных станций имеет 48 HBA и 96 LBA и всего 48 цифровых приемных блоков (RCU). Международные станции имеют 96 LBA и 96 HBA и всего 96 цифровых приемных блоков (RCU).
Станция LOFAR диаметром 60 м, состоящая из 96 дипольных антенн (на переднем плане) в Бад-Мюнстерайфель- Эффельсберг, рядом со 100-метровым радиотелескопом (на заднем плане), обе находятся в ведении Радиоастрономического института Макса Планка в Бонне, ГерманияРасположение международных станций LOFAR:
Телескоп NenuFAR совмещен с радиотелескопом Nançay. Это расширение станции Nançay LOFAR (FR606), добавляющее 96 низкочастотных плиток, каждая из которых представляет собой «мини-решетку» из 19 антенн с перекрещенными диполями, распределенных по кругу диаметром приблизительно 400 м. Плитки представляют собой гексагональный кластер с аналогичными фазированными антеннами. Телескоп может захватывать радиочастоты в диапазоне 10–85 МГц, а также диапазон LOFAR-Low Band (30–80 МГц). Массив NenuFAR может работать как высокочувствительная LOFAR-совместимая станция super-LBA (LSS), работая вместе с остальной частью LOFAR, чтобы увеличить глобальную чувствительность массива почти в два раза и улучшить возможности построения изображений массива. Он также может функционировать как второе ядро для повышения доступности массива. Благодаря выделенному приемнику NenuFAR может также работать как автономный инструмент, известный как NenuFAR / Standalone в этом режиме.
Кроме того, комплект антенн LOFAR развернут на KAIRA (массив приемников атмосферных изображений в Килписъярви ) недалеко от Килписъярви, Финляндия. Эта установка работает как УКВ- приемник в автономном режиме или как часть бистатической радарной системы вместе с передатчиком EISCAT в Тромсё.
Требования к передаче данных находятся в диапазоне нескольких гигабит в секунду на станцию, а необходимая вычислительная мощность составляет десятки терафлопс. Данные от LOFAR хранятся в долгосрочном архиве LOFAR. Архив реализован как распределенное хранилище с данными, распределенными по центру обработки данных Target, расположенному в Центре информационных технологий Дональда Смитса при университете Гронингена, центре SURFsara [ nl ] в Амстердаме и Forschungszentrum Jülich в Германии.
Задача LOFAR - нанести на карту Вселенную на радиочастотах ~ 10–240 МГц с большим разрешением и большей чувствительностью, чем предыдущие обзоры, такие как обзоры 7C и 8C, а также обзоры, проведенные Very Large Array (VLA) и Giant Meterwave Radio. Телескоп (GMRT).
LOFAR будет самой чувствительной радиообсерваторией на низких частотах наблюдений до тех пор, пока в конце 2020-х годов не будет запущена система Square Kilometer Array (SKA). Даже в этом случае SKA будет вести наблюдение только на частотахgt; 50 МГц, а угловое разрешение LOFAR останется намного лучше.
Чувствительность и пространственное разрешение, достижимые с помощью LOFAR, делают возможным несколько новых фундаментальных исследований Вселенной, а также облегчают уникальные практические исследования окружающей среды Земли. В следующем списке термин z - это безразмерная величина, обозначающая красное смещение радиоисточников, видимых LOFAR.
Одним из самых захватывающих, но технически сложных приложений LOFAR будет поиск излучения линии с красным смещением 21 см эпохи реионизации (EoR). 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 расширенные или даже множественные фазы реионизации, начало, возможно, было около z ~ 15-20 и закончилось на z ~ 6. Используя LOFAR, можно измерить диапазон красного смещения от z = 11,4 (115 МГц) до z = 6 (200 МГц). Ожидаемый сигнал невелик, и отличить его от гораздо более сильного излучения переднего плана сложно.
Одним из наиболее важных приложений LOFAR будет выполнение обзоров большого неба. Такие исследования хорошо соответствуют характеристикам LOFAR и были определены как один из ключевых проектов, которыми руководствовался LOFAR с момента его создания. Такие глубокие обзоры доступного неба с помощью LOFAR 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 неизведанный параметр Вселенной, вполне вероятно, что они обнаружат новые явления. В феврале 2021 года астрономы впервые опубликовали изображение с очень высоким разрешением 25000 активных сверхмассивных черных дыр, покрывающих четыре процента северного небесного полушария, на основе сверхмалых радиоволн, обнаруженных LOFAR.
Комбинация низких частот, всенаправленных антенн, высокоскоростной передачи данных и вычислений означает, что LOFAR откроет новую эру в мониторинге радионеба. Всего за одну ночь можно будет сделать чувствительные радиокарты всего неба, видимого из Нидерландов (около 60% всего неба). Переходные явления радиоизлучения, на которые только намекали предыдущие узкопольные обзоры, будут обнаружены, быстро локализованы с беспрецедентной точностью и автоматически сравнены с данными других объектов (например, гамма-лучевых, оптических, рентгеновских обсерваторий). Такие переходные явления могут быть связаны со взрывами звезд, черными дырами, вспышками на звездах, подобных Солнцу, радиовсплесками с экзопланет или даже сигналами SETI. Кроме того, этот ключевой научный проект сделает 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 между 10 15 –10 20,5 эВ. Как места, так и процессы ускорения частиц неизвестны. Возможные кандидаты в источники этих HECR - это толчки в радиолуках мощных радиогалактик, межгалактические толчки, созданные в эпоху образования галактик, так называемые гиперновые звезды, гамма-всплески или продукты распада сверхмассивных частиц из топологических дефектов. остались от фазовых переходов в ранней Вселенной. Основная наблюдаемая - это интенсивный радиоимпульс, который возникает, когда первичный КЛ попадает в атмосферу и вызывает обширный атмосферный ливень (ШАЛ). ШАЛ направлен вдоль направления движения первичной частицы, и значительная часть его компонента состоит из электронно-позитронных пар, которые излучают радиоизлучение в земной магнитосфере (например, геосинхротронное излучение).
LOFAR открывает окно в до сих пор неизведанные низкоэнергетические синхротронные радиоволны, излучаемые электронами космических лучей в слабых магнитных полях. О происхождении и эволюции космических магнитных полей известно очень мало. Пространство вокруг галактик и между галактиками может быть магнитным, и LOFAR может быть первым, кто обнаружит слабое радиоизлучение из таких областей. LOFAR также будет измерять эффект Фарадея, который представляет собой вращение плоскости поляризации низкочастотных радиоволн, и дает еще один инструмент для обнаружения слабых магнитных полей.
Солнце - интенсивный радиоисточник. На уже сильное тепловое излучение горячей солнечной короны 10 6 К накладываются интенсивные радиовсплески, которые связаны с явлениями солнечной активности, такими как вспышки и корональные выбросы массы (CME). Солнечное радиоизлучение в диапазоне частот LOFAR излучается в средней и верхней короне. Таким образом, LOFAR - идеальный инструмент для изучения запуска CME, направляющихся в межпланетное пространство. Возможности LOFAR по получению изображений дадут информацию о том, могут ли такие CME поразить Землю. Это делает LOFAR ценным инструментом для изучения космической погоды.
Солнечные наблюдения с помощью LOFAR будут включать регулярный мониторинг солнечной активности как основы 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. Таким образом, совместные кампании по наблюдению с другими наземными и космическими приборами, такими как RHESSI, Hinode, Solar Dynamics Observatory (SDO) и, в конечном итоге, с Солнечным телескопом Advanced Technology и Solar Orbiter позволяют лучше понять этот фундаментальный астрофизический процесс.
В начале 1990-х годов исследование технологии апертурных решеток для радиоастрономии активно изучалось ASTRON - Нидерландским институтом радиоастрономии. В то же время научный интерес к низкочастотному радиотелескопу начал проявляться в ASTRON и голландских университетах. В течение 1999 года было проведено технико-экономическое обоснование и поиск международных партнеров. В 2000 году Правление ASTRON учредило Руководящий комитет Нидерландского LOFAR, в состав которого вошли представители всех заинтересованных отделов голландских университетов 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 многопрофильный сенсорный массив для облегчения исследований в области геофизики, компьютерных наук и сельского хозяйства, а также астрономии.
В декабре 2003 г. была введена в эксплуатацию станция первоначальных испытаний (ITS) компании LOFAR. Система ITS состоит из 60 обратных V-образных диполей; Каждый диполь подключен к малошумящему усилителю (LNA), который обеспечивает достаточное усиление входящих сигналов для передачи их по коаксиальному кабелю длиной 110 м к блоку приемника (RCU).
26 апреля 2005 г. суперкомпьютер IBM Blue Gene / L был установлен в математическом центре Университета Гронингена для обработки данных LOFAR. В то время это был второй по мощности суперкомпьютер в Европе после MareNostrum в Барселоне. С 2014 года еще более мощный вычислительный кластер (коррелятор) COBALT выполняет корреляцию сигналов от всех отдельных станций.
В августе / сентябре 2006 г. первая станция LOFAR ( базовая станция CS001, также известная как CS1 52 ° 54′32 ″ с.ш., 6 ° 52′8 ″ в.д. / 52,90889 ° с. Ш. 6,86889 ° в. / 52.90889; 6,86889 ) была введена в эксплуатацию с использованием предсерийного оборудования. В общей сложности 96 двойных дипольных антенн (эквивалент полной станции LOFAR) сгруппированы в четыре кластера: центральный кластер с 48 диполями и три других кластера с 16 диполями в каждом. Размер каждого кластера составляет около 100 м. Кластеры распределены по площади диаметром ~ 500 м.
В ноябре 2007 года первая международная LOFAR станция ( DE601) рядом с Эффельсбергом м радиотелескопа 100 стала первой эксплуатационной станцией. Первая полностью укомплектованная станция ( CS302) на краю активной зоны LOFAR была поставлена в мае 2009 года, а в 2013 году планируется завершить строительство 40 голландских станций. К 2014 году 38 станций в Нидерландах, пять станций в Германии ( Effelsberg, Tautenburg, Unterweilenbach, Bornim / Potsdam и Jülich) и по одному в Великобритании (Chilbolton), во Франции (Nançay) и в Швеции (Onsala).
ЛОФАР был официально открыт 12 июня 2010 года королевой Нидерландов Беатрикс. Регулярные наблюдения начались в декабре 2012 г.