Низкочастотный массив (LOFAR)

редактировать
Не путать с низкочастотным анализатором и регистратором (LOFAR) SOSUS.
Низкочастотный массив
LOFAR Superterp.jpg Ядро LOFAR («супертерп») возле Exloo, Нидерланды. Мосты дают представление о масштабах.
Альтернативные названия Низкочастотный массив Отредактируйте это в Викиданных
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 Отредактируйте это в Викиданных
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
Low-Frequency Array (LOFAR) находится в Нидерландах. Низкочастотный массив (LOFAR) Расположение низкочастотного массива
Страница общин 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.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Техническая информация
    • 1.1 Станции LOFAR
    • 1.2 НенуФАР
    • 1.3 Другие станции
    • 1.4 Передача данных
  • 2 Чувствительность
  • 3 Научный кейс
    • 3.1 Ключевые проекты
      • 3.1.1 Эпоха реионизации
      • 3.1.2 Глубокие внегалактические исследования
      • 3.1.3 Переходные радио явления и пульсары
      • 3.1.4 Космические лучи сверхвысоких энергий
      • 3.1.5 Космический магнетизм
      • 3.1.6 Солнечная физика и космическая погода
  • 4 Хронология
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Техническая информация

Низкочастотная антенна с кабиной электроники на заднем плане

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.

ЛОФАР станции

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, Германия

Расположение международных станций LOFAR:

НенуФАР

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.

Другие станции

Ирландская установка LOFAR (I-LOFAR) в Бирре, графство Оффали.

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.

Передача данных

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.

Чувствительность

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.

Научный кейс

На низких радиочастотах в небе преобладают небольшие яркие источники (показана карта региона с полосой пропускания 151 МГц: от 140 ° до 180 ° Галактической долготы; от -5 ° до 5 ° Галактической широты). LOFAR будет иметь достаточную точность и чувствительность, чтобы увидеть слабую структуру между этими яркими источниками из-за очень большого количества элементов решетки.

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.

  • В очень далекой Вселенной ( 6 lt; z lt;10) LOFAR может искать сигнатуру реионизации нейтрального водорода. Это решающее фазовое изменение, по прогнозам, произойдет в эпоху образования первых звезд и галактик, знаменующую конец так называемых « темных веков ». Красное смещение, при котором реионизация как полагают, происходит сместит 21 см линии нейтрального водорода на 1420.40575 МГц в окно наблюдения LOFAR. Наблюдаемая сегодня частота ниже в 1 / (z + 1) раз.
  • В далекой «формирующейся» Вселенной ( 1.5 lt; z lt;7) LOFAR способен обнаруживать самые далекие массивные галактики и будет изучать процессы, с помощью которых формируются самые ранние структуры во Вселенной (галактики, скопления и активные ядра ), и исследовать межгалактический газ.
  • В магнитной Вселенной LOFAR составляет карту распределения космических лучей и глобальных магнитных полей в нашей собственной и близлежащих галактиках, в скоплениях галактик и в межгалактической среде.
  • Вселенная высоких энергий, LOFAR обнаруживает космические лучи сверхвысокой энергии, когда они проникают в атмосферу Земли. Специальная испытательная станция для этой цели LOPES работает с 2003 года.
  • В пределах галактики Млечный Путь LOFAR обнаружил много новых пульсаров в пределах нескольких кпк от Солнца, провел поиск короткоживущих переходных событий, вызванных слиянием звезд или аккрецией черных дыр, и будет искать всплески от подобных Юпитеру внесолнечных планет.
  • В пределах Солнечной системы LOFAR обнаруживает выбросы корональной массы Солнца и обеспечивает непрерывные крупномасштабные карты солнечного ветра. Эта важная информация о солнечной погоде и ее влиянии на Землю облегчает предсказание дорогостоящих и разрушительных геомагнитных бурь.
  • В ближайшем окружении Земли LOFAR будет непрерывно отображать неоднородности в ионосфере, обнаруживать ионизирующие эффекты далеких всплесков гамма-излучения и вспышки, которые, по прогнозам, возникают от космических лучей наивысшей энергии, происхождение которых неясно.
  • Изучая новое спектральное окно, LOFAR, вероятно, сделает счастливые открытия. Обнаружение новых классов объектов или новых астрофизических явлений стало результатом почти всех предыдущих установок, которые открывают новые области спектра или увеличивают инструментальные параметры, такие как чувствительность, более чем на порядок.

Ключевые проекты

Эпоха реионизации

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.

Глубокие внегалактические исследования

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.

Транзитные радио явления и пульсары

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.

Космические лучи сверхвысокой энергии

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).

Космический магнетизм

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.

Солнечная физика и космическая погода

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.

График

Здание «Церникеборг», в котором находится вычислительный центр Университета Гронингена.

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.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-21 03:04:35
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте