SKAO – Observatório Square Kilometre Array: Registrando as Ondas do Universo

Super Telescópios

Os megaprojetos de astronomia que mais chamam atenção costumam ser telescópios que observam a luz visível ou comprimentos de onda próximos, pois produzem imagens impressionantes. Um exemplo é o JWST (Telescópio Espacial James Webb), analisado em detalhes em nosso artigo anterior sobre megaprojetos.

No entanto, estrelas e outros corpos celestes não emitem sinais apenas na forma de luz visível. A radioastronomia observa outra parte do espectro eletromagnético e permite estudar fenômenos diferentes daqueles registrados por imagens ópticas.

Fonte: SKAO

Nos primórdios, a radioastronomia recorria a antenas gigantes, como a do Observatório de Arecibo, com 305 metros de diâmetro. O observatório deixou de operar após seu colapso em 2020 e apareceu em filmes da década de 1990, como 007 contra GoldenEye e Contato.

Fonte: The Meliorist

Outra técnica combina digitalmente os sinais de muitas antenas menores. O método é chamado de interferometria, ou síntese de abertura.

Em um interferômetro, a maior distância entre as antenas influencia a resolução angular teórica, enquanto a área coletora, a sensibilidade e o tempo de observação determinam a capacidade de detectar sinais fracos. Portanto, aumentar apenas o espaçamento não produz automaticamente uma imagem de alta qualidade.

Fonte: NRAO

O SKAO (Square Kilometre Array Observatory) usa interferometria e está construindo, em etapas, dois radiotelescópios distribuídos por grandes áreas. O projeto de referência completo prevê as antenas parabólicas do SKA-Mid na África do Sul e as antenas de baixa frequência do SKA-Low na Austrália Ocidental, mas a escala e o cronograma efetivos dependem do financiamento e do plano de entrega por fases.

Espera-se que o projeto amplie muito a capacidade de estudar o Universo em ondas de rádio. Os resultados científicos concretos, porém, dependerão do desempenho, da calibração, da validação e das observações reais dos conjuntos.

Astronomia de Rádio

Karl Jansky detectou, em 1933, ondas de rádio vindas do céu enquanto trabalhava nos Bell Telephone Laboratories e identificou sua origem na Via Láctea. O episódio é considerado o início da radioastronomia moderna.

A área avançou nas décadas seguintes. O Prêmio Nobel de Física de 1974 foi concedido a Martin Ryle por suas contribuições à síntese de abertura e a Antony Hewish por seu papel na descoberta dos pulsares. Pulsares são estrelas de nêutrons que giram rapidamente e emitem pulsos de rádio regulares.

Fonte: Nobel Prize

A radioastronomia permite estudar pulsares, jatos de buracos negros supermassivos, hidrogênio neutro, remanescentes de supernovas e moléculas interestelares. Dizer que esses objetos só podem ser observados por rádio não é correto em todos os casos; a pesquisa moderna costuma combinar vários comprimentos de onda e métodos de observação.

Muitas observações de rádio podem ser realizadas durante o dia e com nuvens, e algumas frequências atravessam poeira cósmica com mais facilidade do que a luz visível. Ainda assim, certas faixas são afetadas por interferência humana, pela ionosfera e pelo vapor d’água, de modo que a observação não é irrestrita em qualquer condição meteorológica.

Atualmente, muitas instalações usam interferometria, entre elas o Very Large Array (VLA), com 27 antenas no Novo México, e o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), com 66 antenas no Chile. A expressão “maior” pode se referir ao número de antenas, à área coletora, ao comprimento das linhas de base ou à faixa de frequência.

Tecnologias e pesquisas de processamento de sinais desenvolvidas para a radioastronomia tiveram aplicações em diversas áreas. Contudo, atribuir cada invenção exclusivamente à radioastronomia seria uma simplificação. Alguns exemplos incluem:

• Algoritmos de processamento de sinais posteriormente aplicados ao Wi-Fi;
• Técnicas de imagem e processamento de sinais também utilizadas em ressonância magnética;
• Referenciais para navegação espacial e geodesia de alta precisão relacionada a sistemas como o GPS;
• Medição precisa do movimento das placas tectônicas, útil para pesquisa sísmica, mas incapaz de prever terremotos com certeza;
• Amplificadores de baixo ruído para radar, telecomunicações e sensoriamento remoto;

História do SKAO

O projeto SKA nasceu da proposta de alcançar, por interferometria, uma capacidade coletora equivalente a aproximadamente um quilômetro quadrado, ou um milhão de metros quadrados. O nome preserva esse objetivo histórico, embora o projeto entregue em fases não seja uma única antena contínua de um quilômetro quadrado.

Essa escala foi proposta para investigar sinais de hidrogênio do Universo primordial e a formação das primeiras galáxias. Falar em observar o período de cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang não significa fotografá-lo diretamente em luz visível, mas analisar estatisticamente sinais de rádio extremamente fracos.

O SKAO reúne vários membros, parceiros e observadores. Entre os membros fundadores estavam Austrália, China, Itália, Países Baixos, Portugal, África do Sul e Reino Unido, e as formas de participação continuaram mudando. Listas antigas de países não devem ser tratadas como a composição atual e definitiva.

Fonte: Wikipedia

Em 2005, seis propostas de projeto foram selecionadas para uma lista reduzida, e a SKA Organisation foi criada formalmente em 2011. Mais tarde, ela foi transformada no atual observatório, uma organização intergovernamental estabelecida por tratado.

Fonte: SKAO

Em 2015, foi publicada a coletânea científica “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array”, composta por 135 capítulos e 1.213 autores de 31 nacionalidades.

O tratado do SKA Observatory foi assinado em Roma em 2019, definindo o marco jurídico e as responsabilidades dos países participantes.

O Conselho do SKAO aprovou o início da construção em julho de 2021, e cerimônias de lançamento das obras ocorreram nos dois locais em dezembro de 2022. Até o fim de 2022, foram anunciados contratos de aproximadamente €500 milhões, e a construção continuou de forma gradual.

O custo inicial foi estimado em €1,8 bilhão em 2014. Reportagens de 2021 indicavam que o orçamento necessário havia aumentado para cerca de US$3 bilhões. Esses números não representam necessariamente o custo final do projeto de referência completo, pois o escopo e o prazo dependem do financiamento e da entrega por fases.

O planejamento científico e a validação avançam durante a construção, mas o cronograma mudou em relação às previsões iniciais. O plano publicado prevê validação científica com subconjuntos parciais; a conclusão do projeto de referência completo, com 197 antenas parabólicas e 512 estações, ainda não tem data definida.

Fonte: SKAO

O SKA-Low produziu uma primeira imagem de teste com 1.024 antenas em 2025, e a primeira antena parabólica do SKA-Mid também captou um sinal astronômico naquele ano. Em janeiro de 2026, duas antenas registraram as primeiras franjas interferométricas. A validação científica está planejada a partir de 2027 e as primeiras operações com risco compartilhado, por volta de 2029; a antiga afirmação de que o sistema completo estaria operacional em 2027 já não é correta.

Fonte: SKAO

Design do SKAO

O projeto está dividido entre dois continentes: o SKA-Mid é construído na África do Sul e o SKA-Low, na Austrália Ocidental. A sede do observatório fica no Reino Unido.

Fonte: SKAO

A sede britânica fica em Jodrell Bank, reconhecido pela UNESCO como Patrimônio Mundial por sua contribuição ao desenvolvimento da radioastronomia.

Fonte: SKAO

A África do Sul e a Austrália Ocidental foram escolhidas por suas extensas regiões remotas, menor interferência de rádio produzida por pessoas e boa visibilidade de áreas importantes do céu austral. A preservação dessa vantagem exige zonas de proteção radioelétrica e gestão do espectro.

SKA-Mid

O projeto de referência completo do SKA-Mid pretende integrar as 64 antenas existentes do MeerKAT, na África do Sul, e chegar a 197 antenas parabólicas orientáveis. A etapa inicialmente financiada entrega um número menor, e a expansão para o projeto completo depende de financiamento adicional.

As antenas existentes do MeerKAT têm 13,5 metros de diâmetro, enquanto as novas antenas do SKA têm 15 metros. A integração de ambas em um único sistema está prevista para uma etapa posterior.

A linha de base máxima planejada para o SKA-Mid é de aproximadamente 150 quilômetros. Os documentos de projeto atribuem à configuração completa uma área coletora total próxima de 33.000 metros quadrados.

Instituições da China, Austrália, Canadá, França, Alemanha, Itália, África do Sul, Espanha, Reino Unido e Suécia contribuíram para o projeto do SKA-Mid. Os componentes são fabricados em vários países e enviados à África do Sul para montagem e testes.

As novas antenas terão cerca de 22 metros de altura e 15 metros de diâmetro, com superfícies refletoras formadas por 66 painéis. Operar em uma ampla faixa de frequências exige grande precisão superficial, embora o valor de precisão varie conforme o componente e o método de medição.

Fonte: SKAO

Os receptores, com massa aproximada de 160 quilos, convertem as ondas de rádio em sinais elétricos de baixo ruído. Os dados são então digitalizados e enviados por fibra óptica às instalações de processamento.

O diâmetro de 15 metros representa um equilíbrio entre campo de visão, sensibilidade, precisão e custo. A ideia de que antenas menores sempre oferecem melhor resolução está incorreta: a resolução angular do conjunto depende principalmente da linha de base e da frequência, enquanto o diâmetro da antena afeta o campo de visão e a área coletora.

O projeto também considerou o custo de produção em série, a velocidade de instalação, as despesas de operação e manutenção e a resistência a ventos fortes, tensões térmicas e outras condições ambientais.

Fonte: SKAO

Segundo as comparações de projeto publicadas pelo SKAO, a configuração completa do SKA-Mid tem como metas cerca de quatro vezes a resolução, cinco vezes a sensibilidade e 60 vezes a velocidade de levantamento de instalações de referência anteriores. São metas baseadas no sistema completo e em desempenho previsto, não medições de um sistema já concluído.

SKA-Low

O SKA-Low adota um projeto muito diferente do SKA-Mid: em vez de grandes antenas parabólicas, utiliza um número muito elevado de antenas fixas para observar frequências mais baixas.

O projeto de referência completo do SKA-Low prevê 131.072 antenas log-periódicas distribuídas por 512 estações. Cada antena terá cerca de dois metros de altura e foi projetada para observar de 50 a 350 MHz. A primeira etapa financiada chega a 307 estações; a expansão para 512 depende de recursos adicionais.

Fonte: ABC

O formato semelhante a uma árvore de Natal foi projetado para responder à ampla faixa de 50 a 350 MHz. A expansão do Universo pode deslocar antigos sinais de hidrogênio neutro para frequências mais baixas, mas isso não significa que todo sinal de baixa frequência seja antigo.

As antenas não se movem mecanicamente. O beamforming combina os sinais digitalmente para direcionar a sensibilidade do conjunto a uma região do céu e, conforme a capacidade de processamento, formar vários feixes.

Cada antena é conectada a uma caixa eletrônica que amplifica e combina os sinais. Em seguida, os dados da estação são digitalizados e transmitidos por fibra óptica à instalação central de processamento.

Os documentos de projeto indicam uma grande área coletora efetiva para o conjunto completo, e o artigo original citava 419.000 metros quadrados. A área efetiva varia com a frequência e a definição empregada, portanto não deve ser tratada como uma área geométrica constante em todas as frequências.

Fonte: SKAO

As comparações de projeto estimam que o SKA-Low completo oferecerá cerca de 25% mais resolução, oito vezes a sensibilidade e 135 vezes a velocidade de levantamento em relação a instalações de referência existentes. São previsões para a configuração final, não resultados operacionais já medidos.

A necessidade de fabricar, instalar e manter mais de cem mil antenas levou o SKA-Low a priorizar estruturas sem partes móveis e componentes adequados à produção em série.

Objetivos do SKAO

O SKAO é construído em etapas chamadas “montagens de conjunto”. Antenas e estações são acrescentadas progressivamente, enquanto todo o caminho do sinal é validado e a capacidade aumenta.

Estudos do projeto estimam que subconjuntos na fase científica poderão detectar milhares de pulsares comuns e centenas ou cerca de mil pulsares de milissegundo. A meta de detectar todos os pulsares galácticos cujos feixes apontem para a Terra é uma projeção para configurações avançadas e depende da sensibilidade, da cobertura e das propriedades dos próprios objetos.

O SKA-Low pretende medir sinais de hidrogênio neutro da “Aurora Cósmica” e da Era da Reionização, quando surgiram as primeiras estrelas e galáxias e o estado do gás intergaláctico mudou. A medição é extremamente difícil porque emissões de primeiro plano muito mais intensas precisam ser removidas.

Fonte: SKAO

A comparação precisa dos tempos de chegada de pulsos de muitos pulsares permite procurar as lentas distorções do espaço-tempo causadas por ondas gravitacionais na faixa de nanohertz. A técnica complementa o LIGO, que observa outra faixa de frequência, mas não detecta ondas gravitacionais pelo mesmo método do LIGO.

Os dois telescópios poderão ser divididos em subconjuntos variáveis para executar várias observações em paralelo. A divisão, porém, reduz o número de antenas e a sensibilidade disponíveis para cada experimento.

Fonte: SKAO

Conquistas Tecnológicas do SKAO

Impacto industrial e econômico

O desafio de engenharia está em conciliar alta precisão com fabricação repetida em grande escala. O SKA-Mid exige numerosas antenas parabólicas, e o SKA-Low, dezenas de milhares de antenas, além de sistemas eletrônicos, fibra óptica e software.

Contratos e parcerias foram distribuídos entre empresas dos países participantes e podem gerar transferência de tecnologia e empregos locais. O efeito econômico líquido, contudo, varia conforme os custos, o conteúdo local e a manutenção das capacidades após o fim dos contratos. Alguns exemplos são:

• A espanhola Seven Solutions desenvolveu o equipamento de distribuição de tempo e frequência e depois foi adquirida pela Safran Electronics & Defense.
• A italiana SIRIO Antenne recebeu um contrato para fabricar as primeiras 78.520 antenas ao longo de aproximadamente dois anos e meio.
• A australiana Ventia recebeu um contrato de três anos no valor de €125 milhões para construir a infraestrutura do SKA-Low na Austrália.
• A South Africa Power Adenco, controlada em 51% pela Adenco Construction, fornece fibra óptica, estradas e infraestrutura elétrica.
• A sueca AAC Omnisys, subsidiária da AAC Clyde Space, fornece receptores e instrumentos de medição de precisão para detectar ondas de rádio.

Gestão de Dados

A digitalização dos sinais das antenas gera um volume enorme de dados que precisa ser transmitido, sincronizado, processado e armazenado. A gestão desses dados é um dos maiores desafios técnicos do projeto.

Os documentos de projeto estimam fluxos internos de aproximadamente 8 terabits por segundo do SKA-Low até a instalação de processamento em Perth e cerca de 20 terabits por segundo do SKA-Mid na África do Sul. São dados brutos, reduzidos de forma substancial antes do armazenamento científico. Comparações simples com o ALMA dependem da etapa e do ponto em que o fluxo é medido.

Os sinais chegam a cada antena em instantes ligeiramente diferentes e precisam ser alinhados com referências de tempo muito estáveis e calibração contínua. Isso não significa que cada dado use um relógio atômico separado, mas que o sistema emprega uma rede integrada de temporização e sincronização.

Após correlação e calibração, os dados seguem para os Science Data Processors (SDPs). Documentos de projeto previam cerca de 135 petaflops para cada sistema, mas a configuração e o equipamento finais podem mudar durante a entrega por etapas. Comparações com rankings de supercomputadores de um ano específico também envelhecem rapidamente.

O projeto completo prevê distribuir ou armazenar aproximadamente 700 petabytes de dados científicos por ano. A comparação com “1,5 milhão de notebooks comuns” depende da capacidade de disco presumida e não descreve a arquitetura real de armazenamento e redundância.

Algumas instalações associadas de computação e energia usam geração solar e baterias, com geradores a diesel como reserva. A combinação de fontes varia entre os locais e não significa que todo o processamento mundial do SKAO seja alimentado por energia solar.

Além da Fase 1 do SKAO

O Próximo Passo para o SKAO

À medida que mais antenas e estações são adicionadas e validadas, a sensibilidade e a capacidade de levantamento aumentam. Calibração, cobertura do céu, software e financiamento, porém, impedem que esse crescimento seja sempre uma proporção simples.

Fonte: SKAO

O observatório foi concebido para permitir expansões futuras. O programa atual se concentra na África do Sul e na Austrália, enquanto planos históricos também mencionaram conjuntos em Botsuana, Gana, Quênia, Madagascar, Maurício, Moçambique, Namíbia e Zâmbia. Isso não significa que todas essas instalações estejam atualmente contratadas para construção.

Para preparar o início das observações com subconjuntos parciais, foi elaborada a coletânea “Advancing Astrophysics II”, que atualiza os casos de uso científico do observatório.

Outros Radiotelescópios

Os Estados Unidos planejam o Next Generation Very Large Array (ngVLA) como sucessor do VLA atual. O projeto de referência distribui antenas pelo território continental dos Estados Unidos, Havaí e Porto Rico e prevê participação do Canadá, mas o conjunto ainda não era um observatório operacional concluído quando o artigo original foi escrito.

Fonte: ngVLA

A NASA e o Departamento de Energia dos Estados Unidos desenvolvem o LuSEE-Night (Lunar Surface Electromagnetics Experiment) para operar no lado oculto da Lua, onde o ruído de rádio terrestre é menor. Em vez de uma grande antena parabólica, o instrumento precursor usa quatro monopolos que formam dois dipolos cruzados para medir frequências abaixo de 50 MHz.

Fonte: Cosmo

O Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) é um conceito inicial estudado pelo programa NASA Innovative Advanced Concepts, não uma missão aprovada da NASA. A proposta prevê instalar uma malha refletora de um quilômetro de diâmetro em uma cratera de três a cinco quilômetros e suspender o receptor acima dela por cabos.

Fonte: NASA

Conclusão

Muitos resultados do SKAO aparecerão como mapas, espectros e séries temporais complexas, em vez de fotografias coloridas convencionais. O observatório estudará temas variados, entre eles estrelas de nêutrons, buracos negros, gás intergaláctico e a evolução das estruturas cósmicas.

Os resultados podem transformar nossa compreensão do Universo, mas complementarão observatórios como o JWST, e não é possível classificar seu impacto científico antes da conclusão. Os objetivos incluem estudar a Aurora Cósmica, testar teorias da gravidade, cronometrar pulsares, investigar a evolução das galáxias e procurar moléculas relacionadas à vida.

O SKAO também é um projeto industrial e científico internacional que mobiliza milhares de pesquisadores e engenheiros. Pode impulsionar sensoriamento por rádio, sincronização temporal, fibra óptica, eletrônica de baixo ruído, fabricação de precisão e análise de dados, embora os benefícios comerciais fora do projeto precisem ser avaliados separadamente.

O SKAO tem grande possibilidade de se tornar um dos projetos de radioastronomia marcantes do século XXI. Ainda assim, classificá-lo desde já como “sem dúvida um dos mais importantes e transformadores” excede as evidências disponíveis antes da conclusão e da publicação de seus resultados científicos.

Empresa Relacionada ao SKAO

AAC Clyde Space

Muitas empresas participam do SKAO. Um contrato pode ter importância relativa elevada para uma empresa pequena, mas deve ser avaliado em relação à receita total, à carteira de pedidos, ao financiamento e aos riscos de execução da companhia.

Uma delas é a sueca AAC Clyde Space. Sua subsidiária AAC Omnisys anunciou em 2023 que obteve o contrato para fornecer receptores de Banda 1 ao SKA-Mid.

O contrato anunciado vale €12 milhões e prevê a entrega de 80 sistemas de recepção integrados. O cronograma original indicava entregas até o primeiro trimestre de 2027. Segundo os materiais públicos, cada receptor tem mais de um metro de diâmetro e massa aproximada de 180 quilos. O artigo original dizia que a Qualcomm (QCOM ) fabricaria o conversor digital acoplado, mas o anúncio do contrato citado não comprova essa afirmação.

Fonte: Chalmers SE

Além de sistemas para radiotelescópios, a AAC projeta, fabrica e opera pequenos satélites. A queda de alguns custos de lançamento orbital favorece os mercados de pequenos satélites e constelações, cujo exemplo mais conhecido é a Starlink da SpaceX (SPCX ). A viabilidade econômica ainda depende do preço de lançamento, massa, confiabilidade, demanda e licenças.

A empresa informou operar uma constelação de 15 satélites que fornece imagens, rastreamento de navios, dados para agricultura de precisão e florestas, entre outros serviços. O número de satélites operacionais muda com o tempo, e a qualidade do serviço depende da vida útil dos equipamentos, da cobertura e da demanda dos clientes.

A AAC apresentou planos de ampliar sua oferta de “Space Data as a Service” com dados hiperespectrais para agricultura e VDES para comunicações marítimas. Os prazos de materiais estratégicos podem mudar e não garantem lançamentos ou receitas em datas específicas.

Fonte: AAC

A empresa também participou de projetos relacionados à Organização Europeia para a Exploração de Satélites Meteorológicos (EUMETSAT), ao ESA OPS-SAT VOLT de comunicação óptica e quântica, ao primeiro satélite escocês UKube-1 e ao satélite de comunicações marítimas Ymir-1. A lista reúne contratos passados, missões operacionais e planos futuros.

A AAC pode se beneficiar do interesse europeu em capacidade espacial autônoma e novas constelações, mas o resultado não é garantido e envolve riscos de financiamento, execução, lançamento, concorrência e concentração de clientes. Comparar diretamente a ESA com a SpaceX ou a Rocket Lab (RKLB ) (o link leva a um relatório de investimento separado sobre a Rocket Lab) também confunde uma organização intergovernamental com operadoras comerciais de lançamento.