Megaprosjekter

SKAO – Square Kilometre Array Observatorium: Registrering av universets radiobølger

mm
Publisert
Oppdatert
Securities.io maintains rigorous editorial standards and may receive compensation from reviewed links. We are not a registered investment adviser and this is not investment advice. Please view our affiliate disclosure.

Superteleskoper

Astronomiske megaprojekter som tiltrekker mest oppmerksomhet er vanligvis teleskoper i det synlige spekteret eller nært det, da de produserer mange spektakulære bilder. Dette gjelder for eksempel JWST (James Webb Space Telescope), som vi analyserte i detalj i en tidligere megaprojektartikkel.

Stjerner og andre romobjekter sender imidlertid ikke bare signaler i form av lys. Et annet viktig felt innen astronomi er radioteleskoper for å oppdage et annet segment av det elektromagnetiske spekteret, radiosignaler.

Kilde: SKAO

Den har tidligere vært avhengig av ekstremt store antenner, som det nå nedlagte 305 meter brede Arecibo-observatoriet, som du kanskje har sett i 1990‑tallsfilmer som James Bonds GoldenEye eller Contact.

En annen teknikk bruker et stort antall mindre antenner, og samler totaldataene til ett større bilde digitalt, en metode kalt interferometri, eller også noen ganger apertursyntese.

I denne metoden gir større avstand mellom antennene høyere oppløsning i det endelige bildet. Dette kan sakte bygge opp et høy‑kvalitetsbilde selv fra en svært svak kilde dersom man har nok tid.

Kilde: NRAO

Dette er metoden som SKAO (Square Kilometre Array Observatory) følger, et megaprojekt med mottaksstasjoner som strekker seg over minst 3 000 km. Når det er i drift, vil SKA‑Mid og SKA‑Low være det største radioteleskoparrayet på jorden.

Det vil revolusjonere vår forståelse av universet ved å gi den mest detaljerte informasjonen noensinne i radiobølgespekteret.

Radioastronomi

Første gang radiobølger ble oppdaget fra himmelen var i 1933, av Karl Jansky ved Bell Telephone Laboratories, som oppdaget dem fra vår Melkeveisgalakse.

Mer analyse fulgte i de påfølgende årene, og kulminerte i Nobelprisen i fysikk 1974, tildelt Sir Martin Ryle for utviklingen av apertursyntese (interferometri) og Antony Hewish for oppdagelsen av pulsarer (pulsarer er raskt roterende nøytronstjerner som sender ut svært regelmessige og kraftige radiopulser).

Pulsarer, samt andre astronomiske fenomener som er blant de mest kraftfulle og voldelige i universet, som supermassive sorte hull, kan kun observeres gjennom radioastronomi. Den kan også oppdage nøytral hydrogen, som ellers er usynlig i synlig lys.

Radioastronomi har også fordelen av å fungere under alle værforhold, uten å bli hindret av skyer på himmelen eller dårlig vær. På samme måte blir ikke radiosignaler stoppet av kosmisk støv, noe som gjør at radioastronomi kan «se» der andre typer teleskoper ikke kan.

I dag utføres mesteparten av radioastronomi med radiointerferometri, spesielt med fasiliteter som den 27‑skive Very Large Array (VLA) i New Mexico, USA, og den 66‑skive Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile (for tiden verdens største radioteleskoparray).

Historisk har radioastronomi vært nært knyttet til utviklingen av mange viktige moderne teknologier, inkludert:

  • Oppfinnelsen av WiFi.
  • Magnetisk resonansavbildning (MRI);
  • Referansesystemer for romnavigasjon og GPS;
  • Høypresisjonsmonitorering av tektoniske platebevegelser, viktig for jordskjelvvarsling.
  • Lavstøyforsterkere for bruk i radar, telekommunikasjon og fjernmåling;

SKAO-historie

SKAO er i sin opprinnelse et prosjekt designet for å oppnå gjennom interferometri et array på én kvadratkilometer (én million kvadratmeter, 10 millioner kvadratfot).

Dette skyldes at man siden 1980‑tallet visste at et så stort array ville være nødvendig for å analysere universets ekspansjon kun 100 millioner år etter Big Bang, gjennom studier av hydrogen‑skyer, samt dannelsen av de første galaksene 1 milliard år etter Big Bang.

Kjernemedlemmene i prosjektet er Australia, Kina, Italia, Nederland, Portugal, Sør‑Afrika, Sveits og Storbritannia. Andre land er enten i tilknytningsfasen med en samarbeidsavtale, eller observatører av prosjektet, med den bemerkelsesverdige fraværet av USA blant de store landene.

Kilde: Wikipedia

En kort liste med 6 potensielle design ble valgt i 2005, og SKA‑organisasjonen ble formelt opprettet i 2011.

Kilde: SKAO

I 2015 ble en omfattende vitenskapsbok, «Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array», skrevet. Den inneholder 135 kapitler skrevet av 1 213 bidragsytere fra 31 nasjonaliteter.

I 2019 ble SKAO‑konvensjonen signert i Roma, og formaliserte bidraget og engasjementet fra hvert land i prosjektet.

Byggingen fikk grønt lys i 2021. Ved slutten av 2022 var kontrakter verdt omtrent 500 millioner € tildelt ettersom SKAO fortsetter å gå fremover i sin ambisiøse byggeplan.

De opprinnelige kostnadene ble estimert til 1,8 milliarder € i 2014. I 2021 ble det anslått at budsjettet hadde vokst til 3 milliarder $.

I 2025 vil den første Key Science Planning (KSP)‑planleggingen og -forslagene finne sted, som vil bestemme nøyaktig hva teleskopet skal observere først, avhengig av prosjektet som tilbys av individuelle vitenskapelige team fra hele verden.

Kilde: SKAO

Fra 2027 og fremover vil de første observasjonene bli gjort, og radioteleskopet vil være operativt, med verifisering av at alt fungerer som planlagt, og kapasiteten vil vokse med de første observasjonene som fullføres i 2029.

Kilde: SKAO

SKAO-design

SKAO vil bli fordelt som to forskjellige teleskoper på to ulike kontinenter (Sør‑Afrika for SKA‑Mid og Australia for SKA‑Low), med hovedkontor i Storbritannia.

Kilde: SKAO

Den britiske lokasjonen er Jodrell Bank‑området, et UNESCO‑verdensarvsted for sitt bidrag til utviklingen av radioastronomi.

Kilde: SKAO

Valget av Sør‑Afrika og Australia var knyttet til lavere radiostøy i disse regionene (mindre landmasse og befolkning), spesielt i avsidesliggende ørkenområder, samtidig som de gir en god utsikt over Melkeveien.

SKA-Mid

For å oppnå en enestående skala vil SKAO i sin SKA‑Mid‑del inkludere ikke mindre enn 197 fullt styrbare skiver, og innlemme i det nye prosjektet det eksisterende MeerKAT‑radioteleskopet, et 64‑antenners system i Sør‑Afrika.

De eksisterende MeerKAT‑radioteleskopets 13,5 m‑diameter skiver vil bli supplert med de litt større 15 m‑diameter SKA‑skivene, alle integrert i ett system.

Den maksimale avstanden (eller baseline) mellom skivene vil være 150 km, og skape et samlet samleområde på 33 000 m².

Institusjoner i Kina, Australia, Canada, Frankrike, Tyskland, Italia, Sør‑Afrika, Spania, Storbritannia og Sverige bidro alle til SKA‑Mid‑designen, og de ulike komponentene vil bli produsert over hele verden før de sendes til Sør‑Afrika for montering.

Hver 22 meter høy, 15 meter diameter skive vil bestå av 66 individuelle paneler, som hver må justeres med en gjennomsnittlig overflatepresisjon mellom 0,010 og 0,030 mm, for å sikre en jevn samleoverflate.

Kilde: SKAO

De 160 kg tunerne omformer radiobølger fra analog til digital, som deretter kan overføres via optisk fiber og behandles.

Valget av en 15‑meter antenne var et kompromiss mellom behovet for presisjon og høy definisjon (små antenner er bedre) og evnen til å skanne store deler av himmelen på én gang (hvor større antenner er bedre).

Kostnadsbegrensningene, muligheten for masseproduksjon av skivene, installasjonshastigheten, opprettholdelse av lave driftskostnader, og evnen til å tåle ekstreme miljøforhold som sterke vinder eller termisk stress, ble også alle vurdert under systemdesignen.

Kilde: SKAO

Totalt vil SKA‑Mid, sammenlignet med dagens beste radioteleskop, ha 4 ganger høyere oppløsning, 5 ganger høyere følsomhet, og kunne kartlegge himmelen 60 ganger raskere.

SKA-Low

SKA‑Low baserer seg på et helt annet design enn SKA‑Mid, som ligner mer på andre radioteleskoper som bruker store antenner.

I stedet vil SKA‑Low bruke 131 072 log‑periodiske antenner fordelt på 512 stasjoner. Log‑periodiske antenner er mindre, 2 meter høye antenner, designet for å oppdage lavfrekvente radiobølger.

Kilde: ABC

Den «juletre»-formen på antennen er designet slik at den kan oppdage alle mulige radiosignaler i frekvensområdet 50 MHz til 350 MHz. De lengre signalene er generelt de eldste, da de har blitt «strukket» av universets ekspansjon.

Selve antennene beveger seg ikke, men en teknikk kalt «beamforming» brukes til å rette dem i riktig retning, i hovedsak ved å oppdage hvor et signal kommer fra for å forsterke det.

Hver antenne er koblet til en smartboks som konverterer det forsterkede elektriske signalet til optiske data for overføring via optisk fiber til sentral prosesseringsfasilitet (CPF).

Til sammen skaper SKA‑Low‑antennen et imponerende samleområde på 419 000 m². Dette betyr at selv de svakeste signalene kan oppdages, kombineres og forsterkes på en måte som aldri før har vært mulig.

Kilde: SKAO

Den gir også SKA‑Low en betydelig ytelsesforbedring sammenlignet med det beste tilsvarende systemet som er i bruk i dag, med 25 % bedre oppløsning, 8 ganger høyere følsomhet, og evnen til å kartlegge himmelen 135 ganger raskere.

I designet av SKA‑Low‑antenner bestemte nødvendigheten av masseproduksjon mange av valgene, som å lage dem alle uten bevegelige deler.

SKAOs mål

I fase 1 forventes den å ha den følsomheten som kreves for å oppdage opptil 10 000 vanlige pulsarer og 1 000 millisekund‑pulsarer (ultra‑raske og kraftige pulsarer) i Melkeveien. Når den er fullt utbygd, skal den kunne oppdage alle galaktiske pulsarer som sender sitt signal mot jorden.

Den vil også levere den første detaljerte målingen av den såkalte Cosmic Dawn, øyeblikket og forholdene da de første stjernene og galaksene ble dannet, samt den påfølgende «Era of Reionisation», som er mer lik den nåværende tilstanden i universet.

Kilde: SKAO

SKAO vil også kunne analysere gravitasjonsbølger, gjennom deres påvirkning på radiosignalene, og komplettere LIGO‑gravitasjonsbølge‑detektoren.

Systemene vil også kunne danne variable «sub‑arrays», som gjør det mulig å kjøre parallelle observasjoner og eksperimenter samtidig, ved kun å mobilisere en del av hele interferometri‑teleskopet.

Kilde: SKAO

SKAOs teknologiske prestasjoner

Produksjon og økonomisk påvirkning

På teknisk nivå er SKAO imponerende for sin skala og presisjon, spesielt med den ekstremt nøyaktige produksjonen som kreves for antennen, som må reproduseres i hundrevis av eksemplarer for SKA‑Mid og i hundretusener for SKA‑Low.

Dette er oppnådd gjennom mange partnerskapsprogrammer med selskaper fra de deltakende landene, og har hatt en sterk innvirkning på deres teknologiske evner, samt de lokale økonomiene, for eksempel:

Databehandling

En annen påvirkning SKAO vil ha er i håndteringen av data. Når radiosignalet samlet inn av antennene konverteres til digital informasjon, vil det skape en datamengde som krever behandling.

Gjennomsnittlig vil 8 terabit per sekund med data bli overført over hundrevis av kilometer fra SKA‑Low‑teleskopet i Murchison‑outbacken i Australia til behandlingsanlegget i Perth. For SKA‑Mid i Sør‑Afrika er datahastigheten enda høyere, rundt 20 terabit per sekund. Dette er 1 000 ganger mer data enn ALMA‑radioteleskopet (verdens største) genererer i dag.

Dataene som mottas av hver enkelt antenne er litt forskjøvet i tid, så de må justeres ved hjelp av ekstremt presise atomklokker. Dette kravet var så streng at det krevde utvikling av nye metoder for å synkronisere dataene.

Dataene overføres deretter til to superdatamaskiner kalt Science Data Processors (SDPs). Hver av dem vil ha en behandlingshastighet på ~135 PFlops (petaflops), noe som i 2022 var blant de tre raskeste datamaskinene på jorden.

Totalt vil prosjektet arkivere 700 petabyte data per år, tilsvarende harddiskene i 1,5 millioner vanlige bærbare PC‑er.

Mesteparten av databehandlingen drives av et solkraftverk og tilhørende batterier, med dieselgeneratorer som backup.

Utover SKAO fase 1

Neste steg for SKAO

Etter hvert som flere og flere antenner kobles til, vil SKAO‑kapasiteten vokse, både i oppløsning og total skannekapasitet.

Kilde: SKAO

På lang sikt er SKAO designet for å fortsette å integrere flere radioteleskop‑array. Dette skal oppnås ved å legge til flere antenner i Australia, samt nye array i andre afrikanske land. Blant de nye partnerne som vurderes er mange av Sør‑Afrikas naboer, inkludert Botswana, Ghana, Kenya, Madagaskar, Mauritius, Mosambik, Namibia og Zambia.

For fase II av prosjektet er en ny bind av «Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array» under forberedelse, «Advancing Astrophysics II».

Andre radioteleskoper

USA bygger Next Generation Very Large Array (ngVLA), etterfølgeren til den nåværende VLA, som vil bestå av 25‑meter skiver, spredt over 5 505 miles (8 860 km) mellom det kontinentale USA, Hawaii, Puerto Rico og Canada.

Kilde: ngVLA

Et annet plan er at NASA skal bygge et massivt radioteleskop på den mørke siden av Månen, en posisjon som vil beskytte det fullstendig mot interferens fra jorden, kalt LuSEE‑Night‑instrumentet (Lunar Surface Electromagnetic Experiment). I stedet for en stor skive vil dette konseptet bruke lange kabler for å oppdage radiosignaler.

Kilde: Cosmo

Et mye mer ambisiøst konsept, kalt Lunar Crater Radio Telescope (LCRT), forestiller seg et design som bruker en 3‑5 km krater på Månen som en skive, med en kilometerlang kabel som mottaksantenne.

Kilde: NASA

Konklusjon

SKAO‑resultatene vil være mye mindre visuelle enn fra andre teleskoper, da de fokuserer på de usynlige og mer komplekse radiobølgesignalene som produseres av noen av de mest massive objektene i universet, som nøytronstjerner og supermassive sorte hull i sentrum av galakser.

Disse resultatene kan imidlertid være like, om ikke mer, transformative for vår forståelse av universet enn data fra teleskoper som JWST. Dette inkluderer det aller første øyeblikket i universet, samt hvordan gravitasjonsbølger former universet slik vi kjenner det.

Det er også et enormt industrielt og vitenskapelig foretak som mobiliserer tusenvis av verdens beste hjerner. Som med mange av de tidligere radioastronomi‑prosjektene, vil de ekstreme tekniske kravene til maskinvare og programvare drive frem hva som kan gjøres med trådløs datadeteksjon, halvledere & presisjonsproduksjon, og dataanalyse.

Så, uten tvil, vil det bli husket som et av de viktigste og mest transformative vitenskapelige megaprojektene i det tidlige 2000‑tallet.

SKAO-relatert selskap

AAC Clyde Space

Mens mange selskaper er involvert i SKAO, er det for noen en langt større avtale fordi selskapet er mindre og prosjektet relativt større for dem.

AAC er ett av dem, et svensk selskap som i 2023 vant en anbudskonkurranse for å levere nøkkel‑radioteleskop‑mottakere til prosjektet.

Prosjektet er verdt 12 millioner EUR, og bestillingen vil bli levert i første kvartal av 2027. Hver mottaker er over en meter i diameter og veier 180 kg. Omnisys vil levere 80 komplette, fungerende og integrerte mottakersystemer til prosjektet. Den tilkoblede digitale konverteren vil bli bygget av Qualcomm (QCOM ).

I tillegg til radioteleskopsystemer har AAC ekspertise i å produsere og operere små satellitter. Selskapets fokus på små satellitter drar nytte av at lanseringskostnadene til bane synker, noe som gjør oppskyting av mange små satellitter mer lønnsomt, spesielt med bygging av satellittkonstellasjoner (hvor det mest kjente eksemplet er SpaceX sin Starlink).

AAC har sin egen konstellasjon på 15 satellitter, som leverer data som orbitalbilder, skipssporing, presisjonsjordbruk, skogdata osv., til sine kunder uten at de må operere egne satellitter.

Selskapet planlegger å utvide dette «Space Data as a Service»-tilbudet gjennom det kommende tiåret, legge til hyperspektrale data for landbruk i 2025, samt VDES (Very High‑Frequency Data Exchange System) for skipskommunikasjon (med den første satellitten lansert i 2023).

Kilde: AAC

I mellomtiden vinner selskapet kontrakter for bygging av nye satellitter, som European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT), den sanntids optiske og kvante‑direkte‑til‑jord‑kommunikasjonen ESA OPS‑SAT VOLT, Skottlands første satellitt UKube‑1, eller Maritime Communications Satellite Ymir‑1.

Som en viktig leverandør av satellittsystemer til Europa er selskapet i en god posisjon til å dra nytte av regionens mål om å forbli en relevant rommakt og utvikle egne satellittkonstellasjoner, selv om ESA henger etter på gjenbrukbare oppskytningssystemer sammenlignet med Kina, SpaceX eller Rocket Lab (RKLB ) (følg lenken for den dedikerte Rocket Lab‑investeringsrapporten).

mm

Jonathan er en tidligere biochemistforsker som arbeidet med genetisk analyse og kliniske forsøk. Han er nå en aksjeanalytiker og finansforfatter med fokus på innovasjon, markedssykluser og geopolitikk i sin publikasjon The Eurasian Century.