Megaprojekter

SKAO – Square Kilometre Array Observatory: Optagelse af universets radiobølger

mm
Udgivet den
Opdateret den
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Oplysning: Securities.io kan modtage betaling, når du bruger links til produkter, vi anmelder. Det påvirker ikke vores redaktionelle vurderinger. Vi er ikke registreret investeringsrådgiver; dette er ikke investeringsrådgivning. Læs vores affiliateoplysning.

Super Telescopes

De astronomiske megaprojekter, der får mest opmærksomhed, er ofte teleskoper, som observerer synligt lys eller nærliggende bølgelængder, fordi de skaber spektakulære billeder. Et eksempel er JWST (James Webb Space Telescope), som vi gennemgik i en tidligere artikel om megaprojekter.

Stjerner og andre himmellegemer udsender dog ikke kun signaler som synligt lys. Radioastronomi observerer en anden del af det elektromagnetiske spektrum og kan undersøge fænomener, som adskiller sig fra dem, optiske billeder viser.

Kilde: SKAO

Tidlig radioastronomi brugte meget store antenner som det 305 meter brede Arecibo-observatorium. Anlægget ophørte med at fungere efter kollapset i 2020 og optrådte i 1990’er-film som GoldenEye og Contact.

En anden teknik kombinerer signalerne fra mange mindre antenner digitalt. Metoden kaldes interferometri eller apertursyntese.

I et interferometer påvirker den største afstand mellem antennerne den teoretiske vinkelopløsning, mens opsamlingsareal, følsomhed og observationstid afgør evnen til at registrere svage signaler. Større afstand alene giver derfor ikke automatisk et billede af høj kvalitet.

Kilde: NRAO

SKAO (Square Kilometre Array Observatory) bruger interferometri og bygger trinvist to radioteleskoper fordelt over store områder. Det komplette referencedesign omfatter SKA-Mids parabolantenner i Sydafrika og SKA-Lows lavfrekvensantenner i Vestaustralien, men den faktiske skala og tidsplan afhænger af finansiering og den trinvise leveringsplan.

Projektet forventes at udvide mulighederne for at studere universet i radiobølger betydeligt. De konkrete videnskabelige resultater vil dog afhænge af arrayenes ydeevne, kalibrering, verifikation og faktiske observationer.

Radio Astronomy

Karl Jansky registrerede i 1933 radiobølger fra himlen, mens han arbejdede hos Bell Telephone Laboratories, og fastslog, at de kom fra Mælkevejen. Det regnes som begyndelsen på moderne radioastronomi.

Feltet udviklede sig i de følgende årtier. Nobelprisen i fysik i 1974 gik til Martin Ryle for bidrag til apertursyntese og Antony Hewish for hans rolle i opdagelsen af pulsarer. Pulsarer er hurtigt roterende neutronstjerner, som udsender regelmæssige radiopulser.

Radioastronomi kan undersøge pulsarer, jetstråler fra supermassive sorte huller, neutralt brint, supernovarester og interstellare molekyler. Det er ikke generelt korrekt, at disse objekter kun kan observeres med radio; moderne forskning kombinerer ofte flere bølgelængder og metoder.

Mange radioobservationer kan udføres om dagen og gennem skyer, og nogle frekvenser passerer kosmisk støv lettere end synligt lys. Andre bånd påvirkes af menneskeskabt radiointerferens, ionosfæren og vanddamp, så observationerne er ikke ubegrænsede under alle vejrforhold.

Mange anlæg bruger i dag interferometri, herunder Very Large Array (VLA) med 27 antenner i New Mexico og Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) med 66 antenner i Chile. Ordet “størst” kan henvise til antal antenner, opsamlingsareal, basislinje eller frekvensområde.

Teknologier og signalbehandlingsforskning udviklet til radioastronomi er blevet anvendt på mange områder. Det er dog en forenkling at tilskrive hver opfindelse alene til radioastronomien. Eksempler omfatter:

  • Signalbehandlingsalgoritmer, som senere blev anvendt i Wi-Fi;
  • Billed- og signalbehandlingsteknikker, som også bruges i MR-scanning;
  • Referencesystemer til rumnavigation og præcisionsgeodæsi knyttet til systemer som GPS;
  • Præcis måling af tektoniske pladers bevægelser, som hjælper jordskælvsforskning, men ikke kan forudsige jordskælv sikkert;
  • Støjsvage forstærkere til radar, telekommunikation og fjernmåling;

SKAO History

SKA-projektet udsprang af et mål om gennem interferometri at opnå en opsamlingskapacitet svarende til omtrent én kvadratkilometer, altså én million kvadratmeter. Navnet afspejler dette historiske mål, selv om det trinvist leverede design ikke er én sammenhængende antenne på en kvadratkilometer.

Denne skala blev foreslået for at undersøge brintsignaler fra det tidlige univers og dannelsen af de første galakser. At observere tiden omkring 100 millioner år efter Big Bang betyder ikke at fotografere den direkte i synligt lys, men at analysere meget svage radiosignaler statistisk.

SKAO samler mange medlemmer, partnere og observatører. Grundlæggerne omfattede Australien, Kina, Italien, Nederlandene, Portugal, Sydafrika og Storbritannien, mens deltagelsesformerne siden har ændret sig. Ældre landelister bør ikke behandles som den nuværende, endelige sammensætning.

Kilde: Wikipedia

I 2005 blev seks designforslag udvalgt, og SKA Organisation blev formelt oprettet i 2011. Den blev senere omdannet til det nuværende observatorium, en traktatbaseret mellemstatslig organisation.

Kilde: SKAO

I 2015 udkom den videnskabelige samling “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array” med 135 kapitler og 1.213 forfattere fra 31 nationaliteter.

SKA Observatory-traktaten blev underskrevet i Rom i 2019 og fastlagde den juridiske ramme og deltagerlandenes ansvar.

SKAO-rådet godkendte byggestarten i juli 2021, og der blev holdt byggestartsceremonier på begge anlæg i december 2022. Ved udgangen af 2022 var kontrakter for omkring €500 millioner offentliggjort, og byggeriet er fortsat gradvist.

De første omkostninger blev i 2014 anslået til €1,8 milliarder. Omtale fra 2021 angav, at det nødvendige budget var steget til omkring 3 milliarder dollar. Tallene er ikke nødvendigvis den endelige pris for hele referencedesignet, fordi omfang og tidsplan afhænger af finansiering og trinvis levering.

Videnskabelig planlægning og verifikation fortsætter under byggeriet, men tidsplanen har ændret sig fra de tidlige forventninger. Den offentliggjorte plan begynder videnskabelig verifikation med delvise arrays; færdiggørelsen af det komplette referencedesign med 197 paraboler og 512 stationer har endnu ingen fast dato.

Kilde: SKAO

SKA-Low fremstillede i 2025 et tidligt testbillede med 1.024 antenner, og SKA-Mids første parabol registrerede samme år et astronomisk signal. I januar 2026 opnåede to paraboler de første interferometriske frynser. Videnskabelig verifikation er planlagt fra 2027 og tidlig risikodelt drift omkring 2029; den ældre påstand om, at hele systemet ville være i drift i 2027, er ikke længere korrekt.

Kilde: SKAO

SKAO Design

Projektet er fordelt på to kontinenter: SKA-Mid bygges i Sydafrika og SKA-Low i Vestaustralien. Observatoriets hovedkvarter ligger i Storbritannien.

Kilde: SKAO

Det britiske hovedkvarter ligger ved Jodrell Bank, som UNESCO har udpeget til verdensarv for stedets bidrag til radioastronomiens udvikling.

Kilde: SKAO

Sydafrika og Vestaustralien blev valgt på grund af store fjerntliggende områder, mindre menneskeskabt radiointerferens og god udsigt til vigtige dele af den sydlige himmel. Fordelen kræver radiobeskyttelseszoner og frekvensstyring.

SKA-Mid

SKA-Mids komplette referencedesign skal integrere de 64 eksisterende MeerKAT-antenner i Sydafrika og nå 197 styrbare paraboler. Den første finansierede fase leverer færre, mens udvidelsen til hele designet afhænger af yderligere finansiering.

MeerKATs eksisterende paraboler er 13,5 meter i diameter, mens de nye SKA-paraboler er 15 meter. De skal integreres i ét system på et senere trin.

SKA-Mids planlagte maksimale basislinje er omkring 150 kilometer. Designdokumenterne angiver et samlet opsamlingsareal på cirka 33.000 kvadratmeter for den komplette konfiguration.

Institutioner i Kina, Australien, Canada, Frankrig, Tyskland, Italien, Sydafrika, Spanien, Storbritannien og Sverige har bidraget til SKA-Mids design. Komponenterne fremstilles i flere lande og sendes til Sydafrika til samling og test.

De nye paraboler bliver omkring 22 meter høje og 15 meter i diameter, og reflektorfladen består af 66 paneler. Drift over et bredt frekvensområde kræver høj overfladepræcision, men præcisionstallene varierer efter komponent og målemetode.

Kilde: SKAO

Modtagerne, som vejer omkring 160 kilo, omdanner radiobølger til støjsvage elektriske signaler. Dataene digitaliseres derefter og sendes via fiberoptik til behandlingsanlæggene.

Diameteren på 15 meter er et kompromis mellem synsfelt, følsomhed, præcision og pris. Det er forkert, at mindre antenner altid giver bedre opløsning: arrayets vinkelopløsning afhænger især af basislinje og frekvens, mens antennediameteren påvirker synsfelt og opsamlingsareal.

Designet tog også højde for serieproduktionsomkostninger, installationshastighed, drifts- og vedligeholdelsesudgifter samt modstandsdygtighed over for kraftig vind, termisk belastning og andre miljøforhold.

Kilde: SKAO

Ifølge SKAO’s offentliggjorte designsammenligninger sigter det komplette SKA-Mid mod omkring fire gange opløsningen, fem gange følsomheden og 60 gange kortlægningshastigheden i forhold til tidligere referenceanlæg. Det er mål baseret på den fulde konfiguration og forventet ydeevne, ikke målinger fra et allerede færdigt system.

SKA-Low

SKA-Low har et helt andet design end SKA-Mid: i stedet for store paraboler bruger det et meget stort antal faste antenner til lavere frekvenser.

SKA-Lows komplette referencedesign omfatter 131.072 log-periodiske antenner fordelt på 512 stationer. Hver antenne er cirka to meter høj og beregnet til 50-350 MHz. Den første finansierede fase når 307 stationer; udvidelsen til 512 afhænger af yderligere midler.

Kilde: ABC

Den juletræslignende form er udviklet til at reagere på det brede område fra 50 til 350 MHz. Universets udvidelse kan rødforskyde gamle signaler fra neutralt brint til lavere frekvenser, men ikke alle lavfrekvente signaler er derfor gamle.

Antennerne bevæger sig ikke mekanisk. Beamforming kombinerer signalerne digitalt, så arrayets følsomhed rettes mod et område på himlen, og behandlingskapaciteten kan tillade flere stråler.

Hver antenne er koblet til en elektronisk enhed, som forstærker og samler signalerne. Stationens data digitaliseres derefter og sendes via fiberoptik til det centrale behandlingsanlæg.

Designdokumenter viser et stort effektivt opsamlingsareal for det komplette array, og den oprindelige artikel nævnte 419.000 kvadratmeter. Det effektive areal varierer med frekvens og definition og bør ikke behandles som et konstant geometrisk areal på alle frekvenser.

Kilde: SKAO

Designsammenligningerne anslår, at et komplet SKA-Low vil give omkring 25% bedre opløsning, otte gange følsomheden og 135 gange kortlægningshastigheden i forhold til eksisterende referenceanlæg. Det er prognoser for slutkonfigurationen, ikke målte driftsresultater.

Behovet for at producere, installere og vedligeholde over hundrede tusind antenner gjorde konstruktioner uden bevægelige dele og komponenter egnet til masseproduktion vigtige for SKA-Low.

SKAO’s Objectives

SKAO bygges i trin, der kaldes “array assemblies”. Antenner og stationer tilføjes gradvist, mens hele signalkæden verificeres og kapaciteten øges.

Projektstudier anslår, at delvise arrays i den videnskabelige fase kan opdage tusindvis af almindelige pulsarer og hundredvis eller omkring tusind millisekundpulsarer. Målet om alle galaktiske pulsarer med stråler rettet mod Jorden er et estimat for avancerede konfigurationer og afhænger af følsomhed, dækning og objekternes egenskaber.

SKA-Low skal måle signaler fra neutralt brint under “den kosmiske daggry” og reioniseringsepoken, hvor de første stjerner og galakser blev dannet, og den intergalaktiske gas ændrede tilstand. Målingen er meget vanskelig, fordi langt stærkere forgrundsstråling skal fjernes.

Kilde: SKAO

Ved præcist at sammenligne ankomsttiderne for pulser fra mange pulsarer kan forskere lede efter langsomme ændringer i rumtiden fra gravitationsbølger i nanohertzområdet. Metoden supplerer LIGO, som observerer et andet frekvensområde, men registrerer ikke bølgerne med samme metode som LIGO.

De to teleskoper kan opdeles i variable del-arrays, så flere observationer kører parallelt. Opdelingen reducerer dog antallet af antenner og følsomheden til hvert eksperiment.

Kilde: SKAO

SKAO Technological Achievements

Manufacturing & Economic Impact

Den tekniske udfordring er at kombinere høj præcision med gentagen produktion i stor skala. SKA-Mid kræver mange paraboler, mens SKA-Low kræver titusinder af antenner samt elektronik, fiberoptik og software.

Kontrakter og partnerskaber er fordelt blandt virksomheder i deltagerlandene og kan skabe teknologioverførsel og lokale job. Nettoeffekten afhænger dog af omkostninger, lokal produktion og om kompetencerne bevares efter kontrakterne. Eksempler omfatter:

Data Management

Digitalisering af antennesignalerne skaber enorme datamængder, som skal overføres, synkroniseres, behandles og lagres. Datahåndtering er en af projektets største tekniske udfordringer.

Designdokumenterne anslår interne datastrømme på omkring 8 terabit i sekundet fra SKA-Low til behandlingsanlægget i Perth og cirka 20 terabit i sekundet fra SKA-Mid i Sydafrika. Det er rådata, som reduceres kraftigt før videnskabelig lagring. En enkel sammenligning med ALMA afhænger af fase og målested.

Signalerne ankommer til de enkelte antenner på lidt forskellige tidspunkter og skal justeres med meget stabile tidsreferencer og løbende kalibrering. Det betyder ikke et separat atomur for hvert datapunkt, men et integreret tids- og synkroniseringsnetværk.

Efter korrelation og kalibrering sendes dataene til Science Data Processors (SDP). Designdokumenter antog omkring 135 petaflops for hvert system, men den endelige konfiguration og hardware kan ændre sig under den trinvise levering. Sammenligninger med supercomputer-ranglister fra et bestemt år bliver også hurtigt forældede.

Det komplette design forventer at distribuere eller lagre omkring 700 petabyte videnskabelige data om året. Sammenligningen med “1,5 millioner almindelige bærbare computere” afhænger af den antagne diskkapacitet og beskriver ikke den faktiske lager- og redundansarkitektur.

Nogle tilknyttede computer- og energianlæg bruger solkraft og batterier med dieselgeneratorer som reserve. Energisammensætningen varierer mellem anlæggene og betyder ikke, at al SKAO’s globale databehandling drives af solenergi.

Beyond SKAO Phase 1

The Next Step For SKAO

Efterhånden som flere antenner og stationer tilføjes og verificeres, øges følsomhed og kortlægningskapacitet. Kalibrering, himmeldækning, software og finansiering betyder dog, at væksten ikke altid er ligefrem proportional.

Kilde: SKAO

Observatoriet er udformet til fremtidige udvidelser. Det nuværende program er koncentreret om Sydafrika og Australien, mens historiske planer også har omtalt arrays i Botswana, Ghana, Kenya, Madagaskar, Mauritius, Mozambique, Namibia og Zambia. Det betyder ikke, at alle disse anlæg i dag er kontraheret til byggeri.

Som forberedelse til observationer med delvise arrays blev “Advancing Astrophysics II” udarbejdet med opdaterede videnskabelige anvendelser.

Other Radio Telescopes

USA planlægger Next Generation Very Large Array (ngVLA) som efterfølger til det nuværende VLA. Referencedesignet placerer antenner på det amerikanske fastland, Hawaii og Puerto Rico og forudsætter canadisk deltagelse, men anlægget var ikke et færdigt operativt array, da den oprindelige artikel blev skrevet.

Kilde: ngVLA

NASA og USA’s energiministerium udvikler LuSEE-Night (Lunar Surface Electromagnetics Experiment) til Månens bagside, hvor jordisk radiostøj er mindre. I stedet for en stor parabol bruger forsøgsinstrumentet fire monopoler, der danner to krydsede dipoler, til målinger under 50 MHz.

Kilde: Cosmo

Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) er et tidligt koncept undersøgt af NASA Innovative Advanced Concepts, ikke en godkendt NASA-mission. Forslaget bruger et trådnet med én kilometers diameter i et tre-fem kilometer bredt krater og en modtager ophængt over nettet i kabler.

Kilde: NASA

Conclusion

Mange SKAO-resultater bliver komplekse kort, spektre og tidsserier snarere end almindelige farvefotos. Observatoriet skal undersøge blandt andet neutronstjerner, sorte huller, intergalaktisk gas og udviklingen af kosmiske strukturer.

Resultaterne kan ændre vores forståelse af universet markant, men de supplerer observatorier som JWST, og deres videnskabelige betydning kan ikke rangeres før færdiggørelsen. Målene omfatter det kosmiske daggry, test af gravitationsteorier, pulsartiming, galakseudvikling og søgning efter molekyler knyttet til liv.

SKAO er også et internationalt industrielt og videnskabeligt projekt med tusindvis af forskere og ingeniører. Det kan fremme radiodetektion, tidssynkronisering, fiberoptik, støjsvag elektronik, præcisionsfremstilling og dataanalyse, men kommercielle effekter uden for projektet skal vurderes særskilt.

SKAO har gode muligheder for at blive et af det 21. århundredes markante radioastronomiprojekter. At kalde det “uden tvivl et af de vigtigste og mest forandrende” før færdiggørelsen og offentliggørelsen af resultaterne går dog længere end dokumentationen.

SKAO Related Company

AAC Clyde Space

Mange virksomheder deltager i SKAO. En kontrakt kan fylde relativt meget for en lille virksomhed, men skal vurderes i forhold til den samlede omsætning, ordrebog, finansiering og leveringsrisiko.

En af dem er svenske AAC Clyde Space. Datterselskabet AAC Omnisys meddelte i 2023, at det havde vundet kontrakten på SKA-Mids Band 1-modtagere.

Den offentliggjorte kontrakt er €12 millioner værd og omfatter 80 integrerede modtagersystemer. Den oprindelige plan angav levering senest i første kvartal 2027. Offentlige materialer beskriver hver modtager som over én meter i diameter og cirka 180 kilo tung. Den oprindelige artikel hævdede, at Qualcomm (QCOM ) bygger den tilknyttede digitalomformer, men den citerede kontraktmeddelelse underbygger ikke påstanden.

Ud over radioteleskopsystemer designer, fremstiller og driver AAC små satellitter. Faldende priser på visse opsendelser støtter markederne for små satellitter og konstellationer, hvor SpaceX’s Starlink (SPCX ) er det mest kendte eksempel. Rentabiliteten afhænger stadig af opsendelsespris, masse, driftssikkerhed, efterspørgsel og tilladelser.

Selskabet har oplyst, at det driver en konstellation på 15 satellitter, som leverer billeder, skibssporing samt data til præcisionslandbrug og skovbrug. Antallet af operative satellitter ændrer sig over tid, og tjenestens kvalitet afhænger af levetid, dækning og kundernes efterspørgsel.

AAC har fremlagt planer om at udvide “Space Data as a Service” med hyperspektrale landbrugsdata og VDES til maritim kommunikation. Tidsplaner i strategimateriale kan ændre sig og garanterer ikke opsendelser eller indtægter på bestemte datoer.

Kilde: AAC

Selskabet har også deltaget i projekter knyttet til Den Europæiske Organisation for Udnyttelse af Meteorologiske Satellitter (EUMETSAT), det optiske og kvantebaserede ESA OPS-SAT VOLT, Skotlands første satellit UKube-1 og den maritime kommunikationssatellit Ymir-1. Listen blander tidligere kontrakter, operative missioner og fremtidige planer.

AAC kan få fordel af Europas interesse i selvstændig rumkapacitet og nye satellitkonstellationer, men udfaldet er ikke garanteret og indebærer risici ved finansiering, levering, opsendelse, konkurrence og kundekoncentration. En direkte sammenligning af ESA med SpaceX eller Rocket Lab (RKLB ) (linket fører til en særskilt investeringsrapport om Rocket Lab) sammenblander desuden en mellemstatslig organisation med kommercielle opsendelsesoperatører.

mm

Jonathan er en tidligere biokemisk forsker, der arbejdede med genetisk analyse og kliniske forsøg. Han er nu aktieanalytiker og finansskribent med fokus på innovation, markedscyklusser og geopolitik i sin publikation 'The Eurasian Century'.