Square Kilometre Array

Square Kilometre Array (SKA, «Квадратный километровый массив») — это международный проект по созданию крупнейшего и наиболее чувствительного радиотелескопа в мире. Он представляет собой распределённую сеть из тысяч антенн, расположенных на территории Южно-Африканской Республики (ЮАР) и Австралии, объединённых в единую систему. Название проекта отражает первоначальную цель: общая эффективная площадь сбора сигнала всех антенн должна была составлять около одного квадратного километра, хотя в ходе разработки концепция изменилась, и фактическая площадь сбора будет меньше, но чувствительность останется рекордной. SKA предназначен для изучения широкого круга астрофизических явлений, включая эволюцию Вселенной, природу тёмной энергии и тёмной материи, формирование первых звёзд и галактик, а также поиск внеземных цивилизаций.

История

Идея создания радиотелескопа с площадью сбора в один квадратный километр возникла в конце 1980-х — начале 1990-х годов. В 1993 году Международный союз электросвязи (МСЭ) выделил для проекта защищённые радиочастоты. В 2000-х годах началась активная фаза разработки, в которой участвовали научные организации из более чем 20 стран. В 2011 году был создан консорциум SKA Organisation (SKAO) со штаб-квартирой в Великобритании. В 2012 году после длительного конкурса были выбраны площадки для размещения телескопа: ЮАР (для антенн среднего и низкого диапазона) и Австралия (для антенн низкого диапазона). В 2019 году проект перешёл в стадию строительства, а в 2021 году началось сооружение первых элементов. Первый свет (начало научных наблюдений) ожидается в середине 2020-х годов, а полная мощность — к концу 2020-х.

Устройство и принцип работы

SKA состоит из двух отдельных массивов антенн, расположенных в разных полушариях, что позволяет вести наблюдения за большей частью небесной сферы.

SKA-Mid (ЮАР)

SKA-Mid размещается в пустыне Кару в ЮАР, вблизи существующего радиотелескопа MeerKAT. Он состоит из 197 параболических антенн (тарелок) диаметром 15 метров каждая. Антенны работают в диапазоне частот от 350 МГц до 15,4 ГГц. Они способны принимать сигналы из космоса, отражающиеся от их поверхности, и фокусировать их на приёмниках. SKA-Mid будет использоваться для наблюдений за галактиками, пульсарами, чёрными дырами и другими объектами, излучающими в среднем и высокочастотном радиодиапазоне.

SKA-Low (Австралия)

SKA-Low располагается в Западной Австралии, на территории радиоастрономической обсерватории Мерчисон. Он состоит из 131 072 дипольных антенн, похожих на «деревья» из металлических элементов. Эти антенны работают в низкочастотном диапазоне от 50 МГц до 350 МГц. Они не имеют подвижных частей и принимают сигналы со всего неба одновременно. SKA-Low будет использоваться для изучения ранней Вселенной, в частности, нейтрального водорода, который существовал в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва.

Обработка данных

Обработка данных SKA — одна из самых сложных задач в современной астрономии. Каждый день телескоп будет генерировать петабайты (тысячи терабайт) информации. Для её обработки требуется мощная вычислительная инфраструктура, включающая суперкомпьютеры и специализированные корреляторы, которые объединяют сигналы от всех антенн в единое изображение. Центры обработки данных расположены в ЮАР и Австралии, а также в Великобритании.

Научные цели

SKA предназначен для решения нескольких фундаментальных научных задач:

• Изучение ранней Вселенной: Телескоп будет наблюдать нейтральный водород, который заполнял Вселенную в эпоху реионизации (первые миллиарды лет после Большого взрыва). Это позволит понять, как формировались первые звёзды и галактики.
• Тёмная энергия и тёмная материя: Наблюдения за распределением галактик и их движением помогут уточнить параметры тёмной энергии, которая ускоряет расширение Вселенной, и тёмной материи, которая составляет основную массу галактик.
• Эволюция галактик: SKA будет изучать, как формируются и развиваются галактики на протяжении космической истории, включая процессы звездообразования и взаимодействия с межгалактической средой.
• Пульсары и гравитация: Телескоп будет наблюдать пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звёзды, которые служат естественными лабораториями для проверки теорий гравитации, включая общую теорию относительности Эйнштейна.
• Поиск внеземных цивилизаций (SETI): SKA будет использоваться для поиска узкополосных радиосигналов, которые могут быть искусственного происхождения, что является частью программы SETI.
• Магнитные поля в космосе: Телескоп позволит измерять магнитные поля в галактиках, межгалактической среде и вокруг чёрных дыр.

Участники проекта

Проект SKA является международным. Основные участники — страны-члены SKA Observatory (SKAO), которая была создана в 2021 году как межправительственная организация. В неё входят: Австралия, Великобритания, Индия, Италия, Канада, Китай, Нидерланды, Португалия, Франция, Швеция, Швейцария, ЮАР и другие. Россия не является членом SKAO, но российские учёные участвовали в разработке отдельных компонентов на ранних этапах. В настоящее время участие России в проекте ограничено.

Критика и сложности

Проект SKA сталкивается с рядом вызовов:

• Стоимость: Общая стоимость строительства оценивается в несколько миллиардов евро, что делает его одним из самых дорогих научных проектов в истории. Финансирование распределяется между странами-участницами, и его обеспечение требует постоянных переговоров.
• Технические сложности: Обработка колоссальных объёмов данных требует создания новых вычислительных технологий и алгоритмов. Кроме того, необходимо обеспечить синхронизацию сигналов от тысяч антенн с высокой точностью (до наносекунд).
• Радиопомехи: Расположение телескопов в удалённых пустынях минимизирует, но не исключает помехи от спутников, мобильной связи и других источников. Для защиты от них введены строгие правила радиочастотного регулирования.
• Экологические и социальные последствия: Строительство в удалённых районах может влиять на местные экосистемы и традиционный образ жизни коренных народов. В Австралии проект согласовывается с аборигенными общинами, а в ЮАР — с фермерами и экологами.

Интересные факты

• SKA будет настолько чувствительным, что сможет обнаружить радиосигнал от радиолокатора, расположенного на расстоянии 50 световых лет.
• Для обработки данных SKA потребуется вычислительная мощность, эквивалентная миллионам современных персональных компьютеров.
• Антенны SKA-Mid расположены на расстоянии до 150 км друг от друга, что позволяет телескопу работать как единый гигантский инструмент с разрешением, сравнимым с разрешением космического телескопа «Хаббл».
• Название «Квадратный километровый массив» осталось историческим, хотя фактическая площадь сбора сигнала будет меньше — около 0,5 км² для SKA-Mid и 0,1 км² для SKA-Low.

Источники

• SKA Observatory (SKAO) — официальный сайт проекта
• «The Square Kilometre Array: A New Era in Radio Astronomy» — книга под редакцией R. T. Schilizzi
• «SKA: The Square Kilometre Array» — статья в журнале Nature Astronomy
• «Square Kilometre Array: The Next Generation Radio Telescope» — обзор в Annual Review of Astronomy and Astrophysics
• Доклады Международного союза электросвязи (МСЭ) о выделении частот для SKA