SKAO – Square Kilometre Array observatorium: Het opnemen van de radiogolven van het universum

Supertelescopen

Astronomie‑megaprojecten die de meeste aandacht trekken, zijn over het algemeen telescopen in het zichtbare spectrum of daar dicht bij, omdat ze veel spectaculaire beelden opleveren. Dit is bijvoorbeeld het geval voor de JWST (James Webb Space Telescope), die we in een eerder megaproject‑artikel uitvoerig hebben geanalyseerd.

Sterren en andere ruimte‑objecten zenden echter niet alleen signalen uit in de vorm van licht. Een ander belangrijk gebied van de astronomie zijn radiotelescopen voor het detecteren van een ander segment van het elektromagnetische spectrum, radiosignalen.

Bron: SKAO

Vroeger vertrouwde men op ultra‑grote antennes, zoals het inmiddels niet‑bestaande 305‑meter brede Arecibo‑observatorium, dat je misschien hebt gezien in films uit de jaren ’90 zoals James Bond’s GoldenEye of Contact.

Bron: The Meliorist

Een andere techniek maakt gebruik van een groot aantal kleinere antennes en voegt de totale data digitaal samen tot één groter beeld, een methode die interferometrie wordt genoemd, of soms ook apertuursynthese.

Bij deze methode geldt: hoe groter de afstand tussen de antennes, hoe hoger de resolutie van het uiteindelijke beeld. Hierdoor kan langzaam een hoogwaardige afbeelding worden opgebouwd, zelfs van een zeer zwakke bron, mits er voldoende tijd is.

Bron: NRAO

Dit is de methode die SKAO (Square Kilometre Array Observatory) volgt, een megaproject met ontvangstations die zich uitstrekken tot een afstand van minstens 3.000 km. Wanneer operationeel, zullen SKA-Mid en SKA-Low de grootste radiotelescooparray op aarde zijn.

Het zou ons begrip van het universum moeten revolutioneren door de meest gedetailleerde informatie ooit in het radiospectrum te leveren.

Radio‑astronomie

De eerste keer dat radiosignalen vanuit de lucht werden gedetecteerd, was in 1933, door Karl Jansky bij Bell Telephone Laboratories, die ze detecteerden vanuit ons Melkweg‑stelsel.

Verdere analyses volgden in de daaropvolgende jaren, culminerend in de Nobelprijs voor Natuurkunde 1974 die werd toegekend aan Sir Martin Ryle voor de ontwikkeling van apertuursynthese (interferometrie) en aan Antony Hewish voor de ontdekking van pulsars (pulsars zijn snel roterende neutronensterren die zeer regelmatige en zeer krachtige radiopulsen uitzenden).

Bron: Nobel Prize

Pulsars, evenals andere astronomische fenomenen die tot de krachtigste en meest gewelddadige in het universum behoren, zoals superzware zwarte gaten, kunnen alleen worden waargenomen via radio‑astronomie. Het kan ook neutraal waterstof detecteren, dat anders onzichtbaar is in zichtbaar licht.

Radio‑astronomie heeft bovendien het voordeel dat het onder alle weersomstandigheden werkt, niet gehinderd door wolken of slecht weer. Evenzo worden radiosignalen niet tegengehouden door kosmisch stof, waardoor radio‑astronomie kan ‘zien’ waar andere soorten telescopen dat niet kunnen.

Tegenwoordig wordt het grootste deel van de radio‑astronomie uitgevoerd met radio‑interferometrie, met name met faciliteiten zoals de 27‑schotel Very Large Array (VLA) in New Mexico, VS, en de 66‑schotel Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili (momenteel de grootste radiotelescooparray ter wereld).

Historisch gezien is radio‑astronomie nauw verbonden met de ontwikkeling van vele belangrijke moderne technologieën, waaronder:

• De uitvinding van WiFi.
• Magnetische resonantie‑beeldvorming (MRI);
• Referentiesystemen voor ruimtenavigatie en GPS;
• Hoge‑precisie monitoring van bewegingen van tektonische platen, belangrijk voor aardbevingsalarmen.
• Low‑noise versterkers voor gebruik in radar, telecommunicatie en remote sensing;

SKAO‑geschiedenis

SKAO is in de oorsprong een project dat is ontworpen om via interferometrie een array van één vierkante kilometer (een miljoen vierkante meter, 10 miljoen vierkante voet) te realiseren.

Dit komt doordat al sinds de jaren 80 bekend was dat zo’n grote array nodig zou zijn om de expansie van het universum te analyseren, slechts 100 miljoen jaar na de oerknal, via de studie van waterstofwolken, evenals de vorming van de eerste sterrenstelsels 1 miljard jaar na de oerknal.

De kernleden van het project zijn Australië, China, Italië, Nederland, Portugal, Zuid‑Afrika, Zwitserland en het VK. Andere landen bevinden zich in de toetredingsfase, met een samenwerkingsovereenkomst, of zijn waarnemers van het project, waarbij de VS opvallend afwezig is onder de grote landen.

Bron: Wikipedia

Een korte lijst van 6 potentiële ontwerpen werd gekozen in 2005, en de SKA‑organisatie zou formeel worden opgericht in 2011.

Bron: SKAO

In 2015 werd een omvangrijk wetenschapsboek, “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array”, geschreven. Het bevatte 135 hoofdstukken geschreven door 1.213 bijdragers uit 31 nationaliteiten.

In 2019 werd het SKAO‑verdrag ondertekend in Rome, waarmee de bijdrage en betrokkenheid van elk land bij het project werd geformaliseerd.

De bouw zou in 2021 groen licht krijgen. Eind 2022 waren contracten ter waarde van ongeveer €500 miljoen toegekend terwijl SKAO voortschrijdt volgens het ambitieuze bouwschema.

De initiële kosten werden in 2014 geschat op €1,8 miljard. In 2021 werd het benodigde budget geschat op groeiend tot $3 miljard.

In 2025 zullen de eerste Key Science Planning (KSP) plannen en voorstellen plaatsvinden, die precies zullen bepalen wat de telescoop eerst zal observeren, afhankelijk van het project dat wordt aangeboden door individuele wetenschappelijke teams van over de hele wereld.

Bron: SKAO

Vanaf 2027 zullen de eerste waarnemingen worden uitgevoerd en zal de radiotelescoop operationeel zijn; de verificatie dat alles volgens plan werkt en de capaciteit die groeit met de eerste waarnemingen zal in 2029 voltooid zijn.

Bron: SKAO

SKAO‑ontwerp

SKAO zal worden verdeeld over 2 verschillende telescopen op 2 verschillende continenten (Zuid‑Afrika voor SKA-Mid en Australië voor SKA-Low), met een hoofdkantoor in het VK.

Bron: SKAO

De locatie in het VK is het Jodrell Bank‑terrein, een UNESCO‑werelderfgoedsite vanwege zijn bijdrage aan de ontwikkeling van radio‑astronomie.

Bron: SKAO

De keuze voor Zuid‑Afrika en Australië was gekoppeld aan de lagere radio‑interferentie in deze regio’s (minder landoppervlak en bevolking), vooral in afgelegen woestijngebieden, terwijl ze een goed zicht op de Melkweg bieden.

SKA-Mid

Met het streven naar een ongekende schaal zal SKAO in zijn SKA-Mid‑deel niet minder dan 197 volledig richtbare schotels omvatten, waarbij het bestaande MeerKAT‑radiotelescoop, een systeem van 64 onderling verbonden antennes in Zuid‑Afrika in het nieuwe project wordt geïntegreerd.

De bestaande MeerKAT‑radiotelescoop met schotels van 13,5 m diameter zal worden aangevuld met de iets grotere SKA‑schotels van 15 m diameter, allemaal geïntegreerd in één systeem.

De maximale afstand (of basislijn) tussen de schotels zal 150 km bedragen, waardoor een totale verzameloppervlakte van 33.000 m² ontstaat.

Instellingen in China, Australië, Canada, Frankrijk, Duitsland, Italië, Zuid‑Afrika, Spanje, het Verenigd Koninkrijk en Zweden hebben allemaal bijgedragen aan het SKA-Mid‑ontwerp, en de verschillende componenten zullen wereldwijd worden vervaardigd voordat ze naar Zuid‑Afrika worden verzonden voor assemblage.

Elke 22‑meter hoge, 15‑meter diameter schotel zal bestaan uit 66 individuele panelen, die elk moeten worden afgesteld met een gemiddelde oppervlaktespecificatie tussen 0,010 en 0,030 mm, om een glad verzameloppervlak te garanderen.

Bron: SKAO

De 160 kg zware ontvangers zetten radiosignalen om van analoog naar digitaal, waarna ze via glasvezel kunnen worden overgebracht en verwerkt.

De keuze voor een 15‑meter antenne was een compromis tussen de behoefte aan precisie en hoge definitie (kleinere antennes zijn beter) en het vermogen om grote delen van de hemel in één keer te scannen (waarbij grotere antennes beter zijn).

De kostenbeperkingen, de haalbaarheid van massaproductie van de schotels, installatiesnelheid, het behouden van lage operationele kosten en het vermogen om extreme omgevingsomstandigheden zoals harde wind of thermische stress te weerstaan, werden eveneens in overweging genomen bij het ontwerp van het systeem.

Bron: SKAO

In het algemeen zal SKA-Mid, vergeleken met de huidige beste radiotelescoop, 4 x de resolutie, 5 x de gevoeligheid hebben en in staat zijn de hemel 60 x sneller te scannen.

SKA-Low

SKA-Low maakt gebruik van een heel ander ontwerp dan SKA-Mid, dat meer lijkt op andere radiotelescopen die grote antennes gebruiken.

In plaats daarvan zal SKA-Low 131.072 log‑periodieke antennes gebruiken, verspreid over 512 stations. Log‑periodieke antennes zijn kleinere, 2‑meter hoge antennes, ontworpen om laagfrequente radiosignalen te detecteren.

Bron: ABC

De “kerstboom‑” vorm van de antenne is zo ontworpen dat hij elk mogelijk radiosignaal in het frequentiebereik van 50 MHz tot 350 MHz kan detecteren. De langere signalen zijn over het algemeen de oudste, omdat ze zijn “uitgerekt” door de expansie van het universum.

De antennes zelf bewegen niet, maar een techniek die “beamforming” wordt genoemd, wordt gebruikt om ze in de juiste richting te richten, in feite detecterend waar een signaal vandaan komt om het te versterken.

Elke antenne is verbonden met een slimme box die het versterkte elektrische signaal omzet in optische data voor overdracht via glasvezels naar de Central Processing Facility (CPF).

In totaal creëert de SKA‑Low‑antenne een verbazingwekkend verzameloppervlak van 419.000 m². Dit betekent dat zelfs de zwakste signalen kunnen worden gedetecteerd, gecombineerd en versterkt op een manier die voorheen niet mogelijk was.

Bron: SKAO

Het geeft SKA‑Low ook een aanzienlijke prestatieverbetering ten opzichte van het momenteel beste vergelijkbare systeem, met 25 % betere resolutie, 8 x de gevoeligheid en de mogelijkheid de hemel 135 x sneller te scannen.

Bij het ontwerp van de SKA‑Low‑antennes bepaalde de noodzaak om ze massaal te produceren veel van de keuzes, zoals het maken van antennes zonder bewegende delen.

Doelstellingen van SKAO

SKAO zal zich in opeenvolgende fasen uitrollen, terwijl de radiotelescoopsystemen worden gebouwd.

In fase 1 wordt verwacht dat het de gevoeligheid heeft die nodig is om tot 10.000 normale pulsars en 1.000 milliseconden‑pulsars (ultrasnelle en krachtige pulsars) in de Melkweg te detecteren. Wanneer volledig uitgerold, zou het alle galactische pulsars die hun signaal naar de aarde uitzenden moeten kunnen detecteren.

Het zal ook de eerste gedetailleerde meting leveren van de zogenaamde Cosmic Dawn, het moment en de omstandigheden waarin de eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden, evenals de daaropvolgende “Era of Reionisation”, die meer lijkt op de huidige staat van het universum.

Bron: SKAO

SKAO zal ook in staat zijn zwaartekrachtsgolven te analyseren via hun effecten op de radiosignalen, ter aanvulling op de LIGO‑detector voor zwaartekrachtsgolven.

De systemen zullen ook variabele “sub‑arrays” kunnen vormen, waardoor parallelle observaties en experimenten gelijktijdig kunnen worden uitgevoerd, waarbij slechts een deel van de volledige interferometrische telescoop wordt gemobiliseerd.

Bron: SKAO

Technologische prestaties van SKAO

Productie & economische impact

Op technisch niveau is SKAO indrukwekkend vanwege zijn schaal en precisie, met name door de extreem precieze productie die nodig is voor de antenne, die op grote schaal honderden keren moet worden gerepliceerd voor SKA-Mid en honderdduizenden keren voor SKAO‑Low.

Dit is bereikt via talrijke partnerschapsprogramma’s met bedrijven uit de deelnemende landen, met een sterke impact op hun technologische capaciteiten en de lokale economieën, bijvoorbeeld:

• De hardware voor tijd‑ en frequentieverdeling werd ontwikkeld door het Spaanse bedrijf Seven Solutions, sinds overgenomen door het multinationale lucht‑ en ruimtevaartbedrijf Safran Electronics & Defense.
• SIRIO Antenne, een Italiaans familiebedrijf, heeft de opdracht gekregen om de eerste 78.520 antennes van de telescoop te vervaardigen gedurende ongeveer 2,5 jaar
• Australian Ventia kreeg een contract van €125 m over drie jaar toegewezen om infrastructuur te leveren voor de SKA‑Low‑telescoop in Australië.
• South Africa Power Adenco, voor 51 % eigendom van Adenco Construction, levert de optische vezel, weg en stroom die door het project vereist zijn.
• De Zweedse AAC Clyde Space, via haar dochteronderneming AAC Omnisys, levert hoogprecisie meetinstrumenten voor radiogolfdetectie.

Gegevensbeheer

Een andere impact die SKAO zal hebben, is op het gebied van gegevensverwerking. Omdat het radiosignaal dat door de antennes wordt verzameld wordt omgezet in digitale informatie, zal dit een datastroom creëren die verwerking vereist.

Gemiddeld worden er 8 terabit per seconde aan data over honderden kilometers getransporteerd van de SKA‑Low‑telescoop in de Murchison‑outback in Australië naar de verwerkingsfaciliteit in Perth. Voor SKA‑Mid in Zuid‑Afrika is de datasnelheid zelfs nog hoger, ongeveer 20 terabit per seconde. Dit is 1.000 x meer data dan de ALMA‑radiotelescoop (de grootste ter wereld) momenteel genereert.

De data die door individuele antennes worden ontvangen, komen lichtjes op verschillende tijdstippen binnen, dus moeten ze worden gesynchroniseerd met behulp van ultra‑precise atoomklokken. Deze eis was zo streng dat er nieuwe methoden moesten worden ontwikkeld om de data te synchroniseren.

De data worden vervolgens overgebracht naar 2 supercomputers genaamd Science Data Processors (SDP’s). Elk zal een verwerkingssnelheid van ~135 PFlops (petaflops) hebben, wat in 2022 tot de top‑3 snelste computers op aarde behoorde.

In totaal zal het project jaarlijks 700 petabytes aan data archiveren, het equivalent van de harde schijven van 1,5 miljoen gewone laptops.

Het grootste deel van de rekenkracht wordt aangedreven door een zonne‑energiecentrale en de bijbehorende batterijen, met dieselgeneratoren als back‑up.

Voorbij fase 1 van SKAO

De volgende stap voor SKAO

Naarmate steeds meer antennes worden aangesloten, zal de capaciteit van SKAO groeien, zowel in resolutie als in totale scan‑capaciteit.

Bron: SKAO

Op de lange termijn is SKAO ontworpen om meer radiotelescoop‑arrays te blijven integreren. Dit moet worden bereikt door meer antennes toe te voegen in Australië, evenals nieuwe arrays in andere Afrikaanse landen. Onder de nieuwe partners die worden overwogen, bevinden zich veel buurlanden van Zuid‑Afrika, waaronder Botswana, Ghana, Kenia, Madagaskar, Mauritius, Mozambique, Namibië en Zambia.

Voor fase II van het project wordt een nieuw deel van het “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array”‑opus voorbereid, “Advancing Astrophysics II”.

Andere radiotelescopen

De VS bouwt de Next Generation Very Large Array (ngVLA), opvolger van de huidige VLA, die zal bestaan uit 25‑meter schotels, verspreid over 5.505 mijl (8.860 km) tussen het continentaal grondgebied van de VS, Hawaï, Puerto Rico en Canada.

Bron: ngVLA

Een ander plan is dat NASA een enorme radiotelescoop bouwt aan de donkere kant van de maan, een positie die hem volledig zou afschermen van enige interferentie van de aarde, genaamd het LuSEE‑Night‑instrument (Lunar Surface Electromagnetic Experiment). In plaats van een grote schotel zal dit concept lange kabels gebruiken om radiosignalen te detecteren.

Bron: Cosmo

Een veel ambitieuzer concept, genaamd de Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) stelt zich een ontwerp voor waarbij een krater van 3‑5 km op de maan wordt gebruikt als schotel, met een kilometerlange kabel die fungeert als de ontvangende antenne.

Bron: NASA

Conclusie

De resultaten van SKAO zullen veel minder visueel zijn dan die van andere telescopen, omdat het zich richt op de onzichtbare en complexere radiosignalen die worden geproduceerd door enkele van de meest massieve objecten in het universum, zoals neutronensterren en superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels.

Deze resultaten kunnen echter even (of zelfs meer) transformerend zijn voor ons begrip van het universum dan data van telescopen zoals de JWST. Dit omvat het allereerste moment van het universum, evenals hoe zwaartekrachtsgolven het universum vormen zoals wij het kennen.

Het is bovendien een enorm industrieel en wetenschappelijk initiatief, waarbij duizenden van ’s werelds beste geesten worden gemobiliseerd. Net als bij veel eerdere radio‑astronomieprojecten zal de extreme technische eis voor de gebruikte hardware en software de mogelijkheden van draadloze gegevensdetectie, halfgeleiders & precisieproductie en data‑analyse verder vooruitstuwen.

Dus, zonder twijfel, zal het worden herinnerd als een van de belangrijkste en meest transformerende wetenschappelijke megaprojecten van het vroege 21^ste eeuw.

Gerelateerde bedrijven van SKAO

AAC Clyde Space

Hoewel veel bedrijven bij SKAO betrokken zijn, is het voor sommigen een veel grotere zaak omdat het bedrijf kleiner is en het project relatief groter voor hen.

AAC is een van hen, een Zweeds bedrijf dat in 2023 een aanbesteding heeft gewonnen voor het leveren van de belangrijkste radio‑astronomie‑ontvangers voor het radiotelescoopproject.

Het project heeft een waarde van EUR12 M, en de bestelling zal in het eerste kwartaal van 2027 worden geleverd. Elke ontvanger is meer dan een meter breed en weegt 180 kg. Omnisys zal 80 complete, functionerende en geïntegreerde ontvangersystemen aan het project leveren. De bijbehorende digitale converter zal worden gebouwd door Qualcomm (QCOM ).

Bron: Chalmers SE

Naast radiotelescoopsystemen ligt de expertise van AAC in het produceren en exploiteren van kleine satellieten. De focus van het bedrijf op kleine satellieten profiteert van dalende lanceerkosten naar de baan, waardoor de lancering van vele kleine satellieten rendabeler wordt, vooral met de bouw van satellietconstellaties (waarvan het bekendste voorbeeld SpaceX’s Starlink (SPCX ) is).

AAC heeft een eigen constellatie van 15 satellieten, die gegevens zoals orbitale beelden, scheepsvolging, precisielandbouw, bosbouwdata, enz. aan haar klanten levert zonder dat zij hun eigen satellieten hoeven te exploiteren.

Het bedrijf is van plan dit “Space Data as a Service”‑aanbod gedurende het komende decennium uit te breiden, met toevoeging van hyperspectrale data voor de landbouw in 2025, evenals VDES (Very High‑Frequency Data Exchange System) voor scheepscommunicatie (met de eerste satelliet gelanceerd in 2023).

Bron: AAC

In de tussentijd wint het bedrijf contracten voor de bouw van nieuwe satellieten, zoals de European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT), de realtime optische en kwantum directe‑naar‑aarde communicatie ESA OPS‑SAT VOLT, Schotland’s eerste satelliet UKube‑1, of de Maritime Communications Satellite Ymir‑1.

Als een belangrijke leverancier van satellietsystemen voor Europa bevindt het bedrijf zich in een goede positie om te profiteren van de doelstellingen van de regio om een relevante ruimte‑macht te blijven en eigen satellietconstellaties te ontwikkelen, zelfs als de ESA achterloopt op het gebied van herbruikbare lanceervoertuigen in vergelijking met China, SpaceX of Rocket Lab (RKLB ) (volg de link voor het toegewijde Rocket Lab‑investeringsrapport).