Megaproyectos
SKAO – Observatorio del Array de un Kilómetro Cuadrado: Registrando las Ondas del Universo
Super Telescopios
Astronomía megaproyectos que atraen mayor atención son generalmente telescopios en el espectro visible o cercano a él, ya que generan muchas imágenes espectaculares. Esto es, por ejemplo, cierto para el JWST (Telescopio Espacial James Webb), que analizamos en detalle en un artículo anterior de megaproyectos.
Sin embargo, las estrellas y otros objetos espaciales no emiten señales solo en forma de luz. Otro campo importante de la astronomía son los telescopios de radio para detectar un segmento diferente del espectro electromagnético, señales de radio.
Fuente: SKAO
Antes se dependía de antenas ultra‑grandes, como el ahora desaparecido observatorio de Arecibo de 305 metros de ancho, que quizás hayas visto en películas de los años 90 como GoldenEye de James Bond o Contact.
Fuente: The Meliorist
Una técnica diferente utiliza un gran número de antenas más pequeñas y agrega los datos totales en una imagen mayor digitalmente, un método llamado interferometría, o a veces también síntesis de apertura.
En este método, cuanto mayor sea el espaciamiento entre las antenas, mayor será la resolución de la imagen final. Esto puede construir lentamente una imagen de alta calidad incluso a partir de una fuente muy tenue si se dispone de suficiente tiempo.
Fuente: NRAO
Este es el método seguido por SKAO (Square Kilometre Array Observatory), un megaproyecto con estaciones receptoras que se extienden a una distancia de al menos 3 000 km. Cuando esté operativo, SKA‑Mid y SKA‑Low serán el mayor conjunto de telescopios de radio del planeta.
Debería revolucionar nuestra comprensión del Universo al proporcionar la información más detallada jamás obtenida en el espectro de ondas de radio.
Radioastronomía
La primera vez que se detectaron ondas de radio provenientes del cielo fue en 1933, por Karl Jansky en los Laboratorios Bell Telephone, detectándolas de nuestra galaxia Vía Láctea.
Más análisis continuaron en los años siguientes, culminando con el Premio Nobel de Física de 1974 otorgado a Sir Martin Ryle por el desarrollo de la síntesis de apertura (interferometría) y a Antony Hewish por el descubrimiento de los púlsares (los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente, emitiendo pulsos de radio muy regulares y potentes).
Fuente: Nobel Prize
Los púlsares, así como otros fenómenos astronómicos entre los más poderosos y violentos del Universo, como los agujeros negros supermasivos, solo pueden observarse mediante radioastronomía. También puede detectar hidrógeno neutro, que de otro modo es invisible en luz visible.
La radioastronomía también tiene la ventaja de operar en todas las condiciones climáticas, sin ser obstaculizada por nubes o mal tiempo. De manera similar, las señales de radio no son bloqueadas por el polvo cósmico, lo que permite a la radioastronomía “ver” donde otros tipos de telescopios no pueden.
Hoy, la mayor parte de la radioastronomía se realiza con interferometría de radio, notablemente con instalaciones como el Very Large Array (VLA) de 27 antenas en Nuevo México, EE. UU., y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) de 66 antenas en Chile (actualmente el mayor conjunto de telescopios de radio del mundo).
Históricamente, la radioastronomía ha estado estrechamente vinculada al desarrollo de muchas tecnologías modernas importantes, incluyendo:
- La invención del WiFi.
- Imagen por resonancia magnética (IRM);
- Sistemas de referencia para navegación espacial y GPS;
- Monitoreo de alta precisión de movimientos de placas tectónicas, importante para alarmas sísmicas.
- Amplificadores de bajo ruido para uso en radar, telecomunicaciones y teledetección;
Historia de SKAO
SKAO es, en su origen, un proyecto diseñado para intentar alcanzar mediante interferometría el equivalente a un arreglo de un kilómetro cuadrado (un millón de metros cuadrados, 10 millones de pies cuadrados).
Esto se debe a que desde la década de 1980 se sabía que tal arreglo gigantesco sería necesario para analizar la expansión del Universo apenas 100 millones de años después del Big Bang, mediante el estudio de nubes de hidrógeno, así como la formación de las primeras galaxias 1 mil millones de años después del Big Bang.
Los miembros principales del proyecto son Australia, China, Italia, Países Bajos, Portugal, Sudáfrica, Suiza y el Reino Unido. Otros países están en fase de adhesión, con un acuerdo de cooperación, o son observadores del proyecto, destacando la ausencia de EE. UU. entre los países principales.
Fuente: Wikipedia
Una breve lista de 6 diseños potenciales fue elegida en 2005, y la Organización SKA se creó formalmente en 2011.
Fuente: SKAO
En 2015, se escribió un enorme libro científico, “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array,” que contiene 135 capítulos escritos por 1 213 colaboradores de 31 nacionalidades.
En 2019, se firmó el Convenio SKAO en Roma, formalizando la contribución y el compromiso de cada país en el proyecto.
La construcción recibió luz verde en 2021. A finales de 2022, se adjudicaron contratos por alrededor de 500 M€ a medida que SKAO avanza en su ambicioso calendario de construcción.
Los costos iniciales se estimaron en 1,8 mil millones de € en 2014. En 2021, el presupuesto necesario se estimó que había crecido a 3 mil millones de $.
En 2025 se verá la primera planificación y propuestas del Key Science Planning (KSP), que determinarán exactamente qué observará primero el telescopio según el proyecto ofrecido por equipos científicos individuales de todo el mundo.
Fuente: SKAO
Desde 2027 en adelante, se realizarán las primeras observaciones y el telescopio de radio será operativo; la verificación de que todo funciona según lo planeado se completará y la capacidad crecerá con las primeras observaciones previstas para 2029.
Fuente: SKAO
Diseño de SKAO
SKAO se distribuirá como 2 telescopios diferentes en 2 continentes distintos (Sudáfrica para SKA‑Mid y Australia para SKA‑Low), con una sede central en el Reino Unido.
Fuente: SKAO
La ubicación del Reino Unido es el sitio Jodrell Bank, Patrimonio Mundial de la UNESCO por su contribución al desarrollo de la radioastronomía.
Fuente: SKAO
La elección de Sudáfrica y Australia estuvo vinculada a la menor interferencia de radio en esas regiones (menos masa terrestre y población), especialmente en áreas desérticas remotas, al tiempo que ofrecen una buena vista de la Vía Láctea.
SKA-Mid
Alcanzando una escala sin precedentes, SKAO incluirá en su parte SKA‑Mid no menos de 197 platos totalmente orientables, incorporando en el nuevo proyecto el existente telescopio de radio MeerKAT, un sistema de 64 antenas interconectadas en Sudáfrica.
Los platos de 13,5 m de diámetro del telescopio MeerKAT existente se unirán a los platos SKA de 15 m de diámetro, todos integrados en un solo sistema.
La distancia máxima (o línea base) entre los platos será de 150 km, creando una superficie total de captación de 33 000 m².
Instituciones de China, Australia, Canadá, Francia, Alemania, Italia, Sudáfrica, España, Reino Unido y Suecia contribuyeron al diseño de SKA‑Mid, y los diversos componentes se fabricarán en todo el mundo antes de enviarse a Sudáfrica para su ensamblaje.
Cada plato de 22 m de altura y 15 m de diámetro estará formado por 66 paneles individuales, cada uno de los cuales debe ajustarse con una precisión de superficie promedio entre 0,010 y 0,030 mm, para garantizar una superficie de captación lisa.
Fuente: SKAO
Los receptores de 160 kg convierten las ondas de radio de analógico a digital, lo que luego puede transferirse mediante fibra óptica y procesarse.
La elección de una antena de 15 m fue un compromiso entre la necesidad de precisión y alta definición (las antenas más pequeñas son mejores) y la capacidad de escanear grandes segmentos del cielo de una sola vez (para lo cual las antenas más grandes son mejores).
Las limitaciones de costo, la viabilidad de producir los platos en masa, la velocidad de instalación, el mantenimiento de bajos costos operativos y la capacidad de resistir extremos ambientales como vientos fuertes o estrés térmico también fueron consideraciones durante el diseño del sistema.
Fuente: SKAO
En conjunto, SKA‑Mid tendrá, comparado con el mejor telescopio de radio actual, 4 veces la resolución, 5 veces la sensibilidad y podrá sondear el cielo 60 veces más rápido.
SKA-Low
SKA‑Low se basa en un diseño muy diferente al de SKA‑Mid, más similar a otros telescopios de radio que utilizan antenas grandes.
En su lugar, SKA‑Low empleará 131 072 antenas log‑periódicas distribuidas entre 512 estaciones. Las antenas log‑periódicas son más pequeñas, de 2 m de altura, diseñadas para detectar ondas de radio de baja frecuencia.
Fuente: ABC
La forma de “árbol de Navidad” de la antena está diseñada para detectar cualquier señal de radio posible en el rango de frecuencia de 50 MHz a 350 MHz. Las señales más largas son generalmente las más antiguas, ya que han sido “estiradas” por la expansión del Universo.
Las propias antenas no se mueven, pero se utiliza una técnica llamada “formación de haces” (beamforming) para orientarlas en la dirección correcta, esencialmente detectando de dónde proviene una señal para amplificarla.
Cada antena está conectada a una caja inteligente, que convierte la señal eléctrica amplificada en datos ópticos para su transferencia mediante fibras ópticas al Centro de Procesamiento Central (CPF).
En conjunto, la antena SKA‑Low crea una asombrosa superficie de captación de 419 000 m². Esto significa que incluso la señal más débil puede detectarse, combinarse y mejorarse de una manera nunca antes posible.
Fuente: SKAO
También otorga a SKA‑Low un impulso significativo en rendimiento comparado con el mejor sistema similar actualmente en uso, con un 25 % mejor resolución, 8 veces la sensibilidad y la capacidad de sondear el cielo 135 veces más rápido.
En el diseño de las antenas SKA‑Low, la necesidad de producirlas en masa determinó muchas de las opciones, como fabricarlas todas sin partes móviles.
Objetivos de SKAO
SKAO se desplegará en fases sucesivas, a medida que se construyan los sistemas de telescopios de radio.
En la fase 1, se espera que tenga la sensibilidad requerida para detectar hasta 10 000 púlsares normales y 1 000 púlsares milisegundo (púlsares ultra‑rápidos y potentes) en la Vía Láctea. Cuando esté totalmente desplegado, debería poder detectar todos los púlsares galácticos que emiten su señal hacia la Tierra.
También proporcionará la primera medición detallada del llamado Amanecer Cósmico, el momento y las condiciones cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, así como la posterior “Era de Reionización”, más similar al estado actual del Universo.
Fuente: SKAO
SKAO también podrá analizar ondas gravitacionales, a través de sus efectos en las señales de radio, complementando el detector de ondas gravitacionales LIGO.
Los sistemas también podrán formar “sub‑arrays” variables, permitiendo observaciones y experimentos paralelos que funcionen simultáneamente, movilizando solo una parte del telescopio interferométrico completo.
Fuente: SKAO
Logros Tecnológicos de SKAO
Fabricación y Impacto Económico
A nivel técnico, SKAO impresiona por su escala y precisión, especialmente por la fabricación extremadamente precisa requerida para sus antenas, que deben replicarse a escala cientos de veces para SKA‑Mid y cientos de miles de veces para SKA‑Low.
Esto se ha logrado a través de numerosos programas de asociación con empresas de los países participantes, teniendo un fuerte impacto en sus capacidades tecnológicas, así como en las economías locales, por ejemplo:
- El hardware para distribución de tiempo y frecuencia fue desarrollado por la empresa española Seven Solutions, desde entonces adquirida por la multinacional aeroespacial Safran Electronics & Defense.
- SIRIO Antenne, una empresa familiar italiana, ha sido contratada para fabricar las primeras 78 520 antenas del telescopio durante aproximadamente 2,5 años
- Ventia de Australia (VNT.AX ) recibió un contrato de 125 M€ durante tres años para proporcionar infraestructura al telescopio SKA‑Low en Australia.
- South Africa Power Adenco, propiedad al 51 % de Adenco Construction, suministra fibra óptica, carreteras y energía requeridas por el proyecto.
- La sueca AAC Clyde Space, (AACAY ) a través de su subsidiaria AAC Omnisys, provee instrumentos de medida de alta precisión para la detección de ondas de radio.
Gestión de Datos
Otro impacto que tendrá SKAO es en el manejo de datos. A medida que la señal de radio recogida por las antenas se convierte en información digital, creará una avalancha de datos que requerirá procesamiento.
En promedio, se transferirán 8 terabits por segundo de datos a través de cientos de kilómetros desde el telescopio SKA‑Low en el interior de Murchison, Australia, hasta la instalación de procesamiento en Perth. Para SKA‑Mid en Sudáfrica, la tasa de datos es aún mayor, alrededor de 20 terabits por segundo. Esto equivale a 1 000 veces más datos que el telescopio ALMA (el más grande del mundo) está generando actualmente.
Cada uno de los datos recibidos por antenas individuales llega ligeramente en momentos diferentes, por lo que deben alinearse gracias a relojes atómicos ultra‑precisos. Este requisito fue tan exigente que requirió diseñar nuevas formas de sincronizar los datos.
Los datos se transfieren luego a 2 supercomputadoras llamadas Science Data Processors (SDPs). Cada una tendrá una velocidad de procesamiento de ~135 PFlops (petaflops), lo que la situó entre las 3 computadoras más rápidas del planeta en 2022.
En total, el proyecto archivará 700 petabytes de datos al año, el equivalente a los discos duros de 1,5 millones de portátiles normales.
La mayor parte de la computación se alimenta con una planta solar y sus baterías asociadas, con generadores diésel como respaldo.
Más allá de la Fase 1 de SKAO
El Próximo Paso para SKAO
A medida que se conectan más y más antenas, la capacidad de SKAO crecerá, aumentando tanto la resolución como la capacidad total de escaneo.
Fuente: SKAO
A largo plazo, SKAO está diseñado para seguir integrando más arreglos de telescopios de radio. Esto debería lograrse añadiendo más antenas en Australia, así como nuevos arreglos en otros países africanos. Entre los nuevos socios considerados están muchos de los vecinos de Sudáfrica, incluidos Botsuana, Ghana, Kenia, Madagascar, Mauricio, Mozambique, Namibia y Zambia.
Para la fase II del proyecto, se está preparando un nuevo volumen del opus “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array”, “Advancing Astrophysics II”.
Otros Telescopios de Radio
Los EE. UU. están construyendo el Next Generation Very Large Array (ngVLA), sucesor del VLA actual, que estará formado por platos de 25 m, distribuidos a lo largo de 5 505 millas (8 860 km) entre el territorio continental de EE. UU., Hawái, Puerto Rico y Canadá.
Fuente: ngVLA
Otro plan es que la NASA construya un enorme telescopio de radio en el lado oscuro de la Luna, una posición que lo protegería totalmente de cualquier interferencia de la Tierra, llamado el instrumento LuSEE‑Night (Lunar Surface Electromagnetic Experiment). En lugar de un gran plato, este concepto utilizará cables largos para detectar señales de radio.
Fuente: Cosmo
Un concepto mucho más ambicioso, llamado Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) imagina un diseño que utiliza un cráter lunar de 3‑5 km como plato, con un cable de un kilómetro de longitud que actúa como antena receptora.
Fuente: NASA
Conclusión
Los resultados de SKAO serán mucho menos visuales que los de otros telescopios, ya que se centran en las señales invisibles y más complejas de ondas de radio producidas por algunos de los objetos más masivos del Universo, como estrellas de neutrones y agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias.
Sin embargo, estos resultados podrían ser tan transformadores, o incluso más, para nuestra comprensión del Universo como los datos de telescopios como el JWST. Esto incluye el primer momento del Universo, así como cómo las ondas gravitacionales moldean el Universo tal como lo conocemos.
También es una empresa industrial y científica masiva, movilizando a miles de las mentes más brillantes del mundo. Al igual que con muchos de los proyectos anteriores de radioastronomía, los requisitos técnicos extremos para el hardware y software impulsarán lo que se puede lograr con detección inalámbrica de datos, semiconductores & fabricación de precisión y análisis de datos.
Así, sin duda, será recordado como uno de los megaproyectos científicos más importantes y transformadores de principios del siglo 21st.
Empresa Relacionada con SKAO
AAC Clyde Space
Aunque muchas empresas están involucradas con SKAO, para algunas representa un trato mucho mayor debido a que la empresa es más pequeña y el proyecto comparativamente más grande para ellas.
AAC es una de ellas, una empresa sueca que ganó en 2023 una licitación para proporcionar al proyecto del telescopio de radio sus receptores clave de radioastronomía.
El proyecto tiene un valor de 12 M€ y el pedido se entregará en el primer trimestre de 2027. Cada receptor supera un metro de ancho y pesa 180 kg. Omnisys entregará 80 sistemas de receptores completos, funcionales e integrados al proyecto. El convertidor digital adjunto será fabricado por Qualcomm (QCOM ).
Fuente: Chalmers SE
Además de los sistemas de telescopio de radio, la experiencia de AAC está en la producción y operación de pequeños satélites. El enfoque de la compañía en pequeños satélites se beneficia de la disminución del costo de lanzamiento a órbita, haciendo que el lanzamiento de muchos pequeños satélites sea más rentable, especialmente con la construcción de constelaciones de satélites (cuyo ejemplo más famoso es Starlink de SpaceX).
AAC posee su propia constelación de 15 satélites, proporcionando datos como imágenes orbitales, seguimiento de barcos, agricultura de precisión, datos forestales, etc., a sus clientes sin que tengan que operar sus propios satélites.
La compañía planea expandir este servicio “Space Data as a Service” a lo largo de la próxima década, añadiendo datos hiperespectrales para la agricultura en 2025, así como VDES (Very High‑Frequency Data Exchange System) para comunicaciones de barcos (con el primer satélite lanzado en 2023).
Fuente: AAC
Mientras tanto, la compañía está ganando contratos para construir nuevos satélites, como la Organización Europea para la Explotación de Satélites Meteorológicos (EUMETSAT), la comunicación óptica y cuántica en tiempo real directa a tierra ESA OPS‑SAT VOLT, el primer satélite de Escocia UKube‑1, o el Satélite de Comunicaciones Marítimas Ymir‑1.
Como proveedor clave de sistemas satelitales para Europa, la compañía está en una buena posición para beneficiarse de los objetivos de la región de mantenerse como una potencia espacial relevante y desarrollar sus propias constelaciones de satélites, incluso si la ESA se queda rezagada en lanzadores reutilizables en comparación con China, SpaceX o Rocket Lab (RKLB ) (follow the link for the dedicated Rocket Lab investment report).
