SKAO – Observatorium Square Kilometre Array: Merekam Gelombang Udara Alam Semesta

Teleskop Super

Megaproyek astronomi yang paling banyak menarik perhatian biasanya berupa teleskop yang mengamati cahaya tampak atau panjang gelombang di dekatnya karena menghasilkan gambar spektakuler. Salah satu contohnya adalah JWST (James Webb Space Telescope), yang telah kami bahas secara terperinci dalam artikel megaproyek sebelumnya.

Namun, bintang dan benda langit lain tidak hanya memancarkan sinyal sebagai cahaya tampak. Astronomi radio mengamati bagian lain dari spektrum elektromagnetik dan memungkinkan penelitian fenomena yang berbeda dari citra optik.

Sumber: SKAO

Pada masa awalnya, astronomi radio menggunakan antena raksasa seperti Observatorium Arecibo berdiameter 305 meter. Observatorium itu berhenti beroperasi setelah runtuh pada 2020 dan pernah tampil dalam film 1990-an seperti GoldenEye dan Contact.

Sumber: The Meliorist

Teknik lain menggabungkan sinyal banyak antena yang lebih kecil secara digital. Metode ini disebut interferometri atau sintesis apertur.

Dalam interferometer, jarak maksimum antarantena memengaruhi resolusi sudut teoretis, sedangkan luas pengumpulan, sensitivitas, dan waktu pengamatan menentukan kemampuan mendeteksi sinyal lemah. Memperlebar jarak saja tidak otomatis menghasilkan citra berkualitas tinggi.

Sumber: NRAO

SKAO (Square Kilometre Array Observatory) memakai interferometri dan sedang membangun dua teleskop radio secara bertahap di wilayah yang luas. Desain acuan lengkap mencakup antena parabola SKA-Mid di Afrika Selatan dan antena frekuensi rendah SKA-Low di Australia Barat, tetapi skala serta jadwal aktual bergantung pada pendanaan dan rencana pengiriman bertahap.

Proyek ini diharapkan memperluas kemampuan mempelajari alam semesta melalui gelombang radio secara besar-besaran. Namun, hasil ilmiah konkret akan ditentukan oleh kinerja, kalibrasi, verifikasi, dan pengamatan nyata dari array tersebut.

Astronomi Radio

Karl Jansky mendeteksi gelombang radio dari langit pada 1933 ketika bekerja di Bell Telephone Laboratories dan menentukan bahwa sumbernya berada di Bima Sakti. Peristiwa ini dianggap sebagai awal astronomi radio modern.

Bidang ini berkembang pada dekade-dekade berikutnya. Hadiah Nobel Fisika 1974 diberikan kepada Martin Ryle atas kontribusinya pada sintesis apertur dan Antony Hewish atas perannya dalam penemuan pulsar. Pulsar adalah bintang neutron yang berputar cepat dan memancarkan pulsa radio teratur.

Sumber: Nobel Prize

Astronomi radio dapat mempelajari pulsar, jet lubang hitam supermasif, hidrogen netral, sisa supernova, dan molekul antarbintang. Tidak tepat mengatakan bahwa semua objek ini hanya dapat diamati melalui radio; penelitian modern sering menggabungkan beberapa panjang gelombang dan metode.

Banyak pengamatan radio dapat dilakukan pada siang hari dan saat berawan, sementara beberapa frekuensi lebih mudah menembus debu kosmik daripada cahaya tampak. Namun, pita tertentu dipengaruhi gangguan radio buatan manusia, ionosfer, dan uap air sehingga pengamatan tidak bebas dari batasan dalam semua kondisi cuaca.

Saat ini banyak fasilitas menggunakan interferometri, termasuk Very Large Array (VLA) dengan 27 antena di New Mexico dan Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) dengan 66 antena di Cile. Istilah “terbesar” dapat merujuk pada jumlah antena, luas pengumpulan, panjang garis dasar, atau rentang frekuensi.

• Algoritme pemrosesan sinyal yang kemudian diterapkan pada Wi-Fi;
• Teknik pencitraan dan pemrosesan sinyal yang juga digunakan dalam MRI;
• Sistem referensi untuk navigasi antariksa dan geodesi presisi yang terkait dengan sistem seperti GPS;
• Pengukuran presisi pergerakan lempeng tektonik, yang membantu penelitian gempa tetapi tidak dapat memprediksi gempa secara pasti;
• Penguat derau rendah untuk radar, telekomunikasi, dan penginderaan jauh;

Sejarah SKAO

Proyek SKA bermula dari sasaran untuk mencapai kapasitas pengumpulan setara sekitar satu kilometer persegi, atau satu juta meter persegi, melalui interferometri. Namanya mempertahankan sasaran historis ini, meski desain yang dikirim bertahap bukan satu antena utuh seluas satu kilometer persegi.

Skala tersebut diusulkan untuk menyelidiki sinyal hidrogen dari alam semesta awal dan pembentukan galaksi pertama. Mengamati masa sekitar 100 juta tahun setelah Big Bang bukan berarti memotretnya langsung dalam cahaya tampak, melainkan menganalisis sinyal radio yang sangat lemah secara statistik.

SKAO mencakup banyak anggota, mitra, dan pengamat. Anggota pendirinya meliputi Australia, Tiongkok, Italia, Belanda, Portugal, Afrika Selatan, dan Inggris, sementara bentuk partisipasi terus berubah. Daftar negara lama tidak boleh dianggap sebagai komposisi terkini dan final.

Sumber: Wikipedia

Pada 2005, enam rancangan masuk daftar pendek dan SKA Organisation resmi dibentuk pada 2011. Organisasi itu kemudian berubah menjadi observatorium saat ini, sebuah organisasi antarpemerintah yang didirikan melalui perjanjian.

Sumber: SKAO

Pada 2015, kumpulan ilmiah “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array” diterbitkan dengan 135 bab dan 1.213 penulis dari 31 kebangsaan.

Perjanjian SKA Observatory ditandatangani di Roma pada 2019 dan menetapkan kerangka hukum serta tanggung jawab negara peserta.

Dewan SKAO menyetujui dimulainya pembangunan pada Juli 2021, dan upacara peletakan batu pertama berlangsung di kedua lokasi pada Desember 2022. Hingga akhir 2022, kontrak senilai sekitar €500 juta telah diumumkan, dan pembangunan terus berjalan secara bertahap.

Biaya awal diperkirakan €1,8 miliar pada 2014. Laporan pada 2021 menyebut anggaran yang diperlukan telah meningkat menjadi sekitar US$3 miliar. Angka ini tidak selalu mewakili biaya final desain acuan lengkap karena lingkup dan jadwal bergantung pada pendanaan dan pengiriman bertahap.

Perencanaan ilmiah dan verifikasi berlangsung selama pembangunan, tetapi jadwal telah berubah dari perkiraan awal. Rencana yang dipublikasikan memulai verifikasi ilmiah dengan array parsial; penyelesaian desain acuan lengkap dengan 197 antena parabola dan 512 stasiun belum memiliki tanggal pasti.

Sumber: SKAO

SKA-Low menghasilkan citra uji awal dengan 1.024 antena pada 2025, sedangkan antena parabola pertama SKA-Mid menangkap sinyal astronomi pada tahun yang sama. Pada Januari 2026, dua antena memperoleh fringe interferometri pertama. Verifikasi ilmiah direncanakan mulai 2027 dan operasi awal berbagi risiko sekitar 2029; keterangan lama bahwa sistem lengkap akan beroperasi pada 2027 tidak lagi tepat.

Sumber: SKAO

Desain SKAO

Proyek ini dibagi antara dua benua: SKA-Mid dibangun di Afrika Selatan dan SKA-Low di Australia Barat. Kantor pusat observatorium berada di Inggris.

Sumber: SKAO

Kantor pusat di Inggris berada di Jodrell Bank, Situs Warisan Dunia UNESCO karena perannya dalam perkembangan astronomi radio.

Sumber: SKAO

Afrika Selatan dan Australia Barat dipilih karena memiliki wilayah terpencil yang luas, gangguan radio buatan manusia yang lebih rendah, serta pandangan baik ke bagian penting langit selatan. Keunggulan ini memerlukan zona perlindungan radio dan pengelolaan spektrum.

SKA-Mid

Desain acuan lengkap SKA-Mid akan mengintegrasikan 64 antena MeerKAT yang sudah ada di Afrika Selatan dan mencapai 197 antena parabola yang dapat diarahkan. Tahap awal yang telah didanai menyediakan lebih sedikit antena, sedangkan ekspansi penuh memerlukan dana tambahan.

Antena MeerKAT berdiameter 13,5 meter, sementara antena SKA baru berdiameter 15 meter. Keduanya direncanakan untuk diintegrasikan ke satu sistem pada tahap selanjutnya.

Garis dasar maksimum SKA-Mid direncanakan sekitar 150 kilometer. Dokumen desain menyebut luas pengumpulan total sekitar 33.000 meter persegi untuk konfigurasi lengkap.

Lembaga dari Tiongkok, Australia, Kanada, Prancis, Jerman, Italia, Afrika Selatan, Spanyol, Inggris, dan Swedia berkontribusi pada desain SKA-Mid. Komponen dibuat di berbagai negara dan dikirim ke Afrika Selatan untuk dirakit dan diuji.

Antena baru akan setinggi sekitar 22 meter dan berdiameter 15 meter, dengan permukaan reflektor yang terdiri atas 66 panel. Operasi pada rentang frekuensi luas memerlukan presisi permukaan tinggi, tetapi angkanya bergantung pada komponen dan metode pengukuran.

Sumber: SKAO

Receiver bermassa sekitar 160 kilogram mengubah gelombang radio menjadi sinyal listrik berderau rendah. Data lalu didigitalkan dan dikirim melalui serat optik ke fasilitas pemrosesan.

Diameter 15 meter merupakan kompromi antara medan pandang, sensitivitas, presisi, dan biaya. Anggapan bahwa antena lebih kecil selalu memberi resolusi lebih baik tidak tepat: resolusi sudut array terutama ditentukan garis dasar dan frekuensi, sedangkan diameter memengaruhi medan pandang serta luas pengumpulan.

Desain juga mempertimbangkan biaya produksi massal, kecepatan pemasangan, biaya operasi dan pemeliharaan, serta ketahanan terhadap angin kencang, tekanan termal, dan kondisi lingkungan lain.

Sumber: SKAO

Menurut perbandingan desain SKAO, SKA-Mid lengkap menargetkan sekitar empat kali resolusi, lima kali sensitivitas, dan 60 kali kecepatan survei fasilitas acuan sebelumnya. Ini adalah target berdasarkan konfigurasi penuh dan kinerja yang diproyeksikan, bukan hasil pengukuran sistem yang telah selesai.

SKA-Low

SKA-Low memakai desain yang sangat berbeda dari SKA-Mid: alih-alih antena parabola besar, sistem ini menggunakan sangat banyak antena tetap untuk mengamati frekuensi rendah.

Desain acuan lengkap SKA-Low mencakup 131.072 antena log-periodik di 512 stasiun. Tiap antena setinggi sekitar dua meter dan dirancang untuk 50-350 MHz. Tahap pertama yang didanai mencapai 307 stasiun; ekspansi ke 512 bergantung pada dana tambahan.

Sumber: ABC

Bentuk seperti pohon Natal dirancang untuk merespons rentang luas 50-350 MHz. Ekspansi alam semesta dapat menggeser sinyal hidrogen netral lama ke frekuensi lebih rendah, tetapi tidak berarti semua sinyal frekuensi rendah bersifat kuno.

Antena tidak bergerak secara mekanis. Beamforming menggabungkan sinyal secara digital untuk mengarahkan sensitivitas array ke bagian langit tertentu dan, sesuai kapasitas pemrosesan, membentuk beberapa berkas.

Tiap antena terhubung ke kotak elektronik yang memperkuat dan menggabungkan sinyal. Data stasiun kemudian didigitalkan dan dikirim melalui serat optik ke fasilitas pemrosesan pusat.

Dokumen desain menunjukkan luas pengumpulan efektif yang besar untuk array lengkap, dan artikel asli menyebut 419.000 meter persegi. Luas efektif berubah menurut frekuensi dan definisi sehingga tidak boleh diperlakukan sebagai luas geometris tetap di semua frekuensi.

Sumber: SKAO

Perbandingan desain memperkirakan SKA-Low lengkap akan menawarkan sekitar 25% resolusi lebih tinggi, delapan kali sensitivitas, dan 135 kali kecepatan survei fasilitas acuan yang ada. Angka tersebut adalah proyeksi konfigurasi akhir, bukan hasil operasi yang sudah diukur.

Kebutuhan memproduksi, memasang, dan memelihara lebih dari seratus ribu antena membuat SKA-Low mengutamakan struktur tanpa bagian bergerak dan komponen yang sesuai produksi massal.

Tujuan SKAO

SKAO dibangun dalam tahapan yang disebut “array assemblies”. Antena dan stasiun ditambahkan secara bertahap sambil memverifikasi seluruh jalur sinyal dan meningkatkan kemampuan.

Studi proyek memperkirakan array parsial pada fase ilmiah dapat mendeteksi ribuan pulsar biasa dan ratusan hingga sekitar seribu pulsar milidetik. Target mendeteksi semua pulsar galaksi yang memancarkan berkas ke Bumi adalah perkiraan konfigurasi lanjut dan bergantung pada sensitivitas, cakupan, serta sifat objek.

SKA-Low bertujuan mengukur sinyal hidrogen netral dari “Fajar Kosmik” dan Era Reionisasi, saat bintang dan galaksi pertama terbentuk serta keadaan gas antargalaksi berubah. Pengukurannya sangat sulit karena emisi latar depan yang jauh lebih kuat harus disingkirkan.

Sumber: SKAO

Dengan membandingkan waktu kedatangan pulsa dari banyak pulsar secara presisi, ilmuwan dapat mencari perubahan lambat ruang-waktu akibat gelombang gravitasi pada pita nanohertz. Metode ini melengkapi LIGO, yang mengamati frekuensi lain, tetapi tidak mendeteksi gelombang dengan cara yang sama seperti LIGO.

Kedua teleskop dapat dibagi menjadi sub-array yang berubah-ubah agar beberapa pengamatan berjalan paralel. Namun, pembagian mengurangi jumlah antena dan sensitivitas bagi tiap eksperimen.

Sumber: SKAO

Pencapaian Teknologi SKAO

Manufaktur & Dampak Ekonomi

Tantangan rekayasanya adalah memadukan presisi tinggi dengan produksi berulang dalam skala besar. SKA-Mid membutuhkan banyak antena parabola, sedangkan SKA-Low memerlukan puluhan ribu antena, ditambah elektronik, serat optik, dan perangkat lunak.

Kontrak dan kemitraan tersebar di antara perusahaan negara peserta dan dapat menghasilkan transfer teknologi serta pekerjaan lokal. Dampak ekonomi bersih bergantung pada biaya, kandungan lokal, dan bertahannya kemampuan setelah kontrak selesai. Contohnya:

• Seven Solutions dari Spanyol mengembangkan perangkat distribusi waktu dan frekuensi, lalu diakuisisi Safran Electronics & Defense.
• SIRIO Antenne dari Italia mendapat kontrak untuk memproduksi 78.520 antena pertama selama sekitar dua setengah tahun.
• Ventia dari Australia menerima kontrak tiga tahun senilai €125 juta untuk membangun infrastruktur SKA-Low di Australia.
• South Africa Power Adenco, yang 51% dimiliki Adenco Construction, menyediakan serat optik, jalan, dan infrastruktur listrik.
• AAC Omnisys dari Swedia, anak perusahaan AAC Clyde Space, menyediakan receiver dan alat ukur presisi untuk mendeteksi gelombang radio.

Manajemen Data

Digitalisasi sinyal antena menghasilkan volume data sangat besar yang harus ditransmisikan, disinkronkan, diproses, dan disimpan. Pengelolaan data merupakan salah satu tantangan teknis terbesar proyek ini.

Dokumen desain memperkirakan aliran internal sekitar 8 terabit per detik dari SKA-Low ke fasilitas pemrosesan di Perth dan sekitar 20 terabit per detik dari SKA-Mid di Afrika Selatan. Ini adalah data mentah yang dikurangi secara besar sebelum penyimpanan ilmiah. Perbandingan sederhana dengan ALMA bergantung pada tahap dan titik pengukuran.

Sinyal tiba di tiap antena pada waktu yang sedikit berbeda dan harus disejajarkan memakai referensi waktu yang sangat stabil serta kalibrasi berkelanjutan. Ini bukan berarti setiap titik data memerlukan jam atom terpisah, melainkan jaringan waktu dan sinkronisasi terintegrasi.

Setelah korelasi dan kalibrasi, data dikirim ke Science Data Processors (SDP). Dokumen desain memperkirakan sekitar 135 petaflop untuk tiap sistem, tetapi konfigurasi dan perangkat keras akhir dapat berubah selama pengiriman bertahap. Perbandingan dengan peringkat superkomputer tahun tertentu juga cepat usang.

Desain lengkap memperkirakan distribusi atau penyimpanan sekitar 700 petabyte data ilmiah per tahun. Perumpamaan dengan “1,5 juta laptop biasa” bergantung pada kapasitas disk yang diasumsikan dan tidak menggambarkan arsitektur penyimpanan serta redundansi sebenarnya.

Sejumlah fasilitas komputasi dan energi terkait memakai tenaga surya dan baterai dengan generator diesel sebagai cadangan. Campuran daya berbeda di tiap lokasi dan bukan berarti seluruh pemrosesan global SKAO ditenagai energi surya.

Melebihi Fase 1 SKAO

Langkah Selanjutnya untuk SKAO

Ketika lebih banyak antena dan stasiun ditambahkan serta diverifikasi, sensitivitas dan kapasitas survei meningkat. Namun, kalibrasi, cakupan langit, perangkat lunak, dan pendanaan membuat peningkatan itu tidak selalu berbanding lurus.

Sumber: SKAO

Observatorium dirancang untuk ekspansi masa depan. Program saat ini berfokus pada Afrika Selatan dan Australia, sedangkan rencana historis juga menyebut array di Botswana, Ghana, Kenya, Madagaskar, Mauritius, Mozambik, Namibia, dan Zambia. Ini tidak berarti seluruh fasilitas tersebut kini telah dikontrak untuk dibangun.

Untuk mempersiapkan pengamatan dengan array parsial, kumpulan “Advancing Astrophysics II” disusun guna memperbarui contoh penggunaan ilmiah observatorium.

Teleskop Radio Lainnya

Amerika Serikat merencanakan Next Generation Very Large Array (ngVLA) sebagai penerus VLA. Desain acuan menempatkan antena di daratan utama AS, Hawaii, dan Puerto Riko serta mengantisipasi partisipasi Kanada, tetapi saat artikel asli ditulis array itu belum menjadi fasilitas operasional yang selesai.

Sumber: ngVLA

NASA dan Departemen Energi AS mengembangkan LuSEE-Night (Lunar Surface Electromagnetics Experiment) untuk sisi jauh Bulan yang lebih terlindung dari derau radio Bumi. Alih-alih antena parabola besar, instrumen perintis ini memakai empat monopole yang membentuk dua dipole bersilangan untuk pengukuran di bawah 50 MHz.

Sumber: Cosmo

Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) adalah konsep awal yang diteliti NASA Innovative Advanced Concepts, bukan misi NASA yang telah disetujui. Usulannya membentangkan reflektor jaring berdiameter satu kilometer di kawah selebar tiga hingga lima kilometer dan menggantung receiver di atasnya dengan kabel.

Sumber: NASA

Kesimpulan

Banyak hasil SKAO akan berupa peta, spektrum, dan deret waktu yang kompleks, bukan foto berwarna biasa. Observatorium ini akan meneliti berbagai topik seperti bintang neutron, lubang hitam, gas antargalaksi, dan evolusi struktur kosmik.

Hasilnya dapat mengubah pemahaman kita tentang alam semesta, tetapi akan melengkapi observatorium seperti JWST dan dampak ilmiahnya tidak dapat diperingkat sebelum proyek selesai. Sasarannya mencakup Fajar Kosmik, pengujian teori gravitasi, waktu pulsar, evolusi galaksi, dan pencarian molekul terkait kehidupan.

SKAO juga merupakan proyek industri dan ilmiah internasional yang melibatkan ribuan peneliti serta insinyur. Proyek ini dapat memajukan penginderaan radio, sinkronisasi waktu, serat optik, elektronik berderau rendah, manufaktur presisi, dan analisis data, tetapi dampak komersial di luar proyek harus dinilai secara terpisah.

SKAO berpeluang besar menjadi salah satu proyek astronomi radio penting abad ke-21. Namun, menyebutnya sejak sekarang “tanpa ragu salah satu yang paling penting dan transformatif” melampaui bukti sebelum penyelesaian dan publikasi hasil ilmiah.

Perusahaan Terkait SKAO

AAC Clyde Space

Banyak perusahaan terlibat dalam SKAO. Sebuah kontrak dapat relatif penting bagi perusahaan kecil, tetapi harus dinilai terhadap total pendapatan, backlog, pendanaan, dan risiko pelaksanaan perusahaan tersebut.

Salah satunya adalah AAC Clyde Space dari Swedia. Anak perusahaannya, AAC Omnisys, mengumumkan pada 2023 bahwa mereka memenangkan kontrak receiver Band 1 SKA-Mid.

Kontrak yang diumumkan bernilai €12 juta dan mencakup 80 sistem receiver terintegrasi. Jadwal awal menyebut pengiriman hingga kuartal pertama 2027. Materi publik menyatakan tiap receiver berdiameter lebih dari satu meter dan bermassa sekitar 180 kilogram. Artikel asli menyebut Qualcomm (QCOM ) membuat konverter digital terpasang, tetapi pengumuman kontrak yang ditautkan tidak mendukung klaim ini.

Sumber: Chalmers SE

Selain sistem teleskop radio, AAC merancang, membuat, dan mengoperasikan satelit kecil. Penurunan sebagian biaya peluncuran orbit mendukung pasar satelit kecil dan konstelasi, dengan Starlink milik SpaceX (SPCX ) sebagai contoh terkenal. Profitabilitas tetap bergantung pada harga peluncuran, massa, keandalan, permintaan, dan perizinan.

Perusahaan menyatakan mengoperasikan konstelasi 15 satelit yang menyediakan citra, pelacakan kapal, serta data pertanian presisi dan kehutanan. Jumlah satelit aktif berubah seiring waktu, dan kualitas layanan bergantung pada umur satelit, cakupan, dan permintaan pelanggan.

AAC memaparkan rencana memperluas “Space Data as a Service” dengan data hiperspektral untuk pertanian dan VDES bagi komunikasi maritim. Jadwal dalam materi strategi dapat berubah dan tidak menjamin peluncuran atau pendapatan pada tanggal tertentu.

Sumber: AAC

Perusahaan juga terlibat dalam proyek terkait Organisasi Eropa untuk Eksploitasi Satelit Meteorologi (EUMETSAT), komunikasi optik dan kuantum ESA OPS-SAT VOLT, satelit pertama Skotlandia UKube-1, serta satelit komunikasi maritim Ymir-1. Daftar ini mencampurkan kontrak lama, misi operasional, dan rencana masa depan.

AAC dapat memperoleh manfaat dari minat Eropa pada kemampuan antariksa mandiri dan konstelasi baru, tetapi hasilnya tidak terjamin dan menghadapi risiko pendanaan, pelaksanaan, peluncuran, persaingan, serta konsentrasi pelanggan. Membandingkan ESA secara langsung dengan SpaceX atau Rocket Lab (RKLB ) (tautan menuju laporan investasi terpisah tentang Rocket Lab) juga mencampuradukkan organisasi antarpemerintah dengan operator peluncuran komersial.