Megaprojekt

SKAO – Square Kilometre Array‑observatoriet: Inspelning av universums radiosignaler

mm
Publicerad
Uppdaterad
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Information: Securities.io kan få ersättning när du använder länkar till produkter vi granskar. Det påverkar inte våra redaktionella bedömningar. Vi är inte registrerad investeringsrådgivare; detta är inte investeringsråd. Läs vår affiliateinformation.

Superteleskop

Astronomiska megaprojekt som får mest uppmärksamhet är vanligtvis teleskop i det synliga spektrumet eller nära det, eftersom de genererar många spektakulära bilder. Detta gäller till exempel JWST (James Webb Space Telescope), som vi analyserade i detalj i en tidigare megaprojektartikel.

Stjärnor och andra rymdobjekt avger dock inte signaler enbart i form av ljus. Ett annat viktigt område inom astronomi är radioteleskop för att upptäcka en annan del av det elektromagnetiska spektrumet, radiosignaler.

Källa: SKAO

Det förlitade sig tidigare på ultrastora antenner, som det nu nedlagda 305 meter breda Arecibo-observatoriet, som du kanske har sett i 1990‑talsfilmer som James Bonds GoldenEye eller Contact.

En annan teknik använder ett stort antal mindre antenner och samlar den totala datan digitalt till en större bild, en metod som kallas interferometri, eller ibland även apertursyntes.

I denna metod ger ett större avstånd mellan antennerna högre upplösning i den slutliga bilden. Detta kan långsamt bygga upp en högkvalitativ bild även från en mycket svag källa om tillräckligt med tid ges.

Källa: NRAO

Detta är metoden som SKAO (Square Kilometre Array Observatory) följer, ett megaprojekt med mottagarstationer som sträcker sig minst 3 000 km. När det är i drift kommer SKA-Mid och SKA-Low att vara den största radioteleskoparrayen på jorden.

Det bör revolutionera vår förståelse av universum genom att ge den mest detaljerade informationen någonsin i radiospektrumet.

Radioastronomi

Den första gången radiosignaler upptäcktes från himlen var 1933, av Karl Jansky på Bell Telephone Laboratories, som upptäckte dem från vår Vintergatan.

Ytterligare analyser följde under de kommande åren, vilket kulminerade i Nobelpriset i fysik 1974 som tilldelades Sir Martin Ryle för utvecklingen av apertursyntes (interferometri) och Antony Hewish för upptäckten av pulsarer (pulsarer är snabbt roterande neutronstjärnor som avger mycket regelbundna och kraftfulla radiopulser).

Källa: Nobel Prize

Pulsarer, liksom andra astronomiska fenomen som är bland de mest kraftfulla och våldsamma i universum, som supermassiva svarta hål, kan endast observeras genom radioastronomi. Den kan också upptäcka neutralt väte, som annars är osynligt i synligt ljus.

Radioastronomi har också fördelen att fungera under alla väderförhållanden, utan att påverkas av moln på himlen eller dåligt väder. På samma sätt stoppas inte radiosignaler av kosmiskt damm, vilket gör att radioastronomi kan “se” där andra typer av teleskop inte kan.

Idag utförs största delen av radioastronomi med radiointerferometri, särskilt med anläggningar som den 27‑antenna stora Very Large Array (VLA) i New Mexico, USA, och den 66‑antenna stora Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile (för närvarande världens största radioteleskoparray).

  • Uppfinningen av WiFi.
  • Magnetisk resonanstomografi (MRI);
  • Referenssystem för rymdnavigering och GPS;
  • Högprecisionsövervakning av tektoniska plattors rörelser, viktigt för jordbävningslarm.
  • Lågnivåförstärkare för användning i radar, telekommunikation och fjärranalys;

SKAO-historia

SKAO är i sin ursprung ett projekt utformat för att genom interferometri försöka nå motsvarande av en en kvadratkilometer (en miljon kvadratmeter, 10 miljoner kvadratfot) array.

Det beror på att man sedan 1980‑talen visste att en så stor array skulle behövas för att analysera universums expansion bara 100 miljoner år efter Big Bang, genom studier av väteclouds, samt bildandet av de första galaxerna 1 miljard år efter Big Bang.

De centrala medlemmarna i projektet är Australien, Kina, Italien, Nederländerna, Portugal, Sydafrika, Schweiz och Storbritannien. Andra länder är antingen i anslutningsfasen med ett samarbetsavtal, eller observatörer av projektet, med den märkbara frånvaron av USA bland de stora länderna.

Källa: Wikipedia

En kort lista med 6 potentiella designer valdes 2005, och SKA Organisation skulle formellt bildas 2011.

Källa: SKAO

2015 skrevs en omfattande vetenskapsbok, “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array”, som innehöll 135 kapitel skrivna av 1 213 bidragsgivare från 31 nationaliteter.

2019 undertecknades SKAO-konventionen i Rom, vilket formaliserade varje lands bidrag och engagemang i projektet.

Byggandet skulle godkännas 2021. Vid slutet av 2022 hade kontrakt värda omkring 500 M€ tilldelats när SKAO fortsatte att gå framåt enligt sitt ambitiösa byggschema.

De initiala kostnaderna uppskattades till 1,8 miljarder € år 2014. År 2021 hade den erforderliga budgeten beräknats ha vuxit till 3 miljarder $.

2025 kommer den första Key Science Planning (KSP)-planeringen och förslagen att äga rum, vilket kommer att bestämma exakt vad teleskopet observerar först beroende på projekt som erbjuds av enskilda vetenskapliga team från hela världen.

Källa: SKAO

Från 2027 och framåt kommer de första observationerna att göras, och radioteleskopet kommer att vara i drift, verifieringen att allt fungerar enligt plan kommer att vara klar och kapaciteten ökas med de första observationerna som genomförs 2029.

Källa: SKAO

SKAO-design

SKAO kommer att distribueras som två olika teleskop på två olika kontinenter (Sydafrika för SKA-Mid och Australien för SKA-Low), med huvudkontor i Storbritannien.

Källa: SKAO

Den brittiska platsen är Jodrell Bank, en UNESCO‑världsarvsplats för sitt bidrag till utvecklingen av radioastronomi.

Källa: SKAO

Valet av Sydafrika och Australien var kopplat till lägre radiostörningar i dessa regioner (mindre landmassa och befolkning), särskilt i avlägsna ökenområden, samtidigt som de ger en god utsikt över Vintergatan.

SKA-Mid

För att nå en oöverträffad skala kommer SKAO i sin SKA-Mid-del att inkludera minst 197 fullt styrbara antenner, med den befintliga MeerKAT‑radioteleskopet, ett 64‑antenner system i Sydafrika, inarbetat i det nya projektet.

De befintliga MeerKAT‑antennerna med 13,5 m diameter kommer att kompletteras med de något större 15 m diameter SKA‑antennerna, alla integrerade i ett system.

Det maximala avståndet (baslinjen) mellan antennerna blir 150 km, vilket ger en total samlingsarea på 33 000 m².

Institutioner i Kina, Australien, Kanada, Frankrike, Tyskland, Italien, Sydafrika, Spanien, Storbritannien och Sverige har alla bidragit till SKA-Mid‑designen, och de olika komponenterna kommer att tillverkas över hela världen innan de skickas till Sydafrika för montering.

Varje 22 m hög, 15 m diameter antenn kommer att bestå av 66 individuella paneler, där varje panel måste justeras med en genomsnittlig ytnoggrannhet mellan 0,010 och 0,030 mm för att säkerställa en jämn samlingsyta.

Källa: SKAO

De 160 kg tunga mottagarna omvandlar radiosignaler från analogt till digitalt, vilket sedan kan överföras via optisk fiber och bearbetas.

Valet av en 15 m antenn var en kompromiss mellan behovet av precision och hög upplösning (små antenner är bättre) och förmågan att skanna stora delar av himlen på en gång (där större antenner är bättre).

Kostnadsbegränsningarna, möjligheten att massproducera antennerna, installationshastigheten, att hålla låga driftskostnader samt förmågan att tåla extrema miljöförhållanden som starka vindar eller termisk stress beaktades också i systemdesignen.

Källa: SKAO

Sammanlagt kommer SKA-Mid att ha, jämfört med dagens bästa radioteleskop, 4 ganger högre upplösning, 5 ganger högre känslighet och kunna kartlägga himlen 60 ganger snabbare.

SKA-Low

SKA-Low bygger på en mycket annorlunda design än SKA-Mid, som liknar andra radioteleskop som använder stora antenner.

Istället kommer SKA-Low att använda 131 072 log‑periodiska antenner fördelade på 512 stationer. Log‑periodiska antenner är mindre, 2 m höga antenner, designade för att upptäcka lågfrekventa radiosignaler.

Källa: ABC

Den ”julgrans”-formade antennen är konstruerad för att kunna upptäcka varje möjlig radiosignal i frekvensområdet 50 MHz till 350 MHz. De längre signalerna är generellt de äldsta, eftersom de har ”sträckts ut” av universums expansion.

Antennorna själva rör sig inte, men en teknik som kallas ”strålningsformning” (beamforming) används för att rikta dem i rätt riktning, i princip för att upptäcka var en signal kommer ifrån och förstärka den.

Varje antenn är ansluten till en smart box som omvandlar den förstärkta elektriska signalen till optisk data för överföring via optiska fibrer till Central Processing Facility (CPF).

Sammanlagt skapar SKA-Low-antennen en förbluffande samlingsarea på 419 000 m². Detta innebär att även de svagaste signalerna kan upptäckas, kombineras och förstärkas på ett sätt som aldrig tidigare varit möjligt.

Källa: SKAO

Det ger också SKA-Low en betydande prestandaförbättring jämfört med det liknande bästa systemet som för närvarande används, med 25 % bättre upplösning, 8 ganger högre känslighet och förmågan att kartlägga himlen 135 ganger snabbare.

I designen av SKA-Low-antennerna påverkade behovet av massproduktion många val, såsom att göra dem alla utan rörliga delar.

SKAOs mål

SKAO kommer att rullas ut i successiva faser, i takt med att radioteleskopsystemen byggs.

I fas 1 förväntas den ha den känslighet som krävs för att upptäcka upp till 10 000 vanliga pulsarer och 1 000 millisekundpulsarer (ultrasnabba och kraftfulla pulsarer) i Vintergatan. När den är fullt utplacerad bör den kunna upptäcka alla galaktiska pulsarer som sänder sina signaler mot jorden.

Den kommer också att ge den första detaljerade mätningen av den så kallade Cosmic Dawn, ögonblicket och förhållandena när de första stjärnorna och galaxerna bildades, samt den efterföljande ”Reioniseringseran”, som liknar det nuvarande tillståndet i universum.

Källa: SKAO

SKAO kommer också att kunna analysera gravitationsvågor via deras påverkan på radiosignalerna, vilket kompletterar LIGO:s gravitationsvågsdetektor.

Systemen kommer också att kunna bilda variabla ”sub‑array”, vilket möjliggör parallella observationer och experiment som körs samtidigt, genom att mobilisera endast en del av hela interferometriteleskopet.

Källa: SKAO

SKAOs teknologiska framsteg

Tillverkning & ekonomisk påverkan

På teknisk nivå är SKAO imponerande för sin skala och precision, särskilt med den extremt precisa tillverkning som krävs för dess antenn, som måste reproduceras i skala hundratals gånger för SKA-Mid och hundratusentals gånger för SKA-Low.

Detta har uppnåtts genom många partnerskapsprogram med företag från de deltagande länderna, vilket har haft stark påverkan på deras teknologiska förmågor samt de lokala ekonomierna, till exempel:

Datahantering

En annan påverkan som SKAO kommer att ha är hanteringen av data. När radiosignalen som samlas in av antennerna omvandlas till digital information kommer det att skapa en dataflod som kräver bearbetning.

I genomsnitt kommer 8 terabit per sekund av data att överföras över hundratals kilometer från SKA-Low-teleskopet i Murchison‑ödemarken i Australien till bearbetningsanläggningen i Perth. För SKA-Mid i Sydafrika är datahastigheten ännu högre, omkring 20 terabit per sekund. Detta är 1 000 ganger mer data än vad ALMA‑radioteleskopet (världens största) för närvarande genererar.

Varje data som tas emot av enskilda antenner är något förskjuten i tid, så de måste justeras med hjälp av ultraprecisa atomklockor. Detta krav var så strikt att det krävde nya metoder för att synkronisera datan.

Datan överförs sedan till två superdatorer som kallas Science Data Processors (SDP). Var och en kommer att ha en bearbetningshastighet på cirka 135 PFlops (petaflops), vilket var bland de tre snabbaste datorerna på jorden 2022.

Totalt kommer projektet att arkivera 700 petabyte data per år, motsvarande hårddiskarna i 1,5 miljon vanliga bärbara datorer.

Det mesta av beräkningarna drivs av en solkraftsanläggning och dess tillhörande batterier, med reservgeneratorer på diesel.

Utöver SKAO fas 1

Det nästa steget för SKAO

När fler och fler antenner ansluts kommer SKAOs kapacitet att växa, både i upplösning och total skanningskapacitet.

Källa: SKAO

På lång sikt är SKAO utformat för att fortsätta integrera fler radioteleskoparrayar. Detta bör uppnås genom att lägga till fler antenner i Australien samt nya arrayar i andra afrikanska länder. Bland de nya potentiella partnerna finns många av Sydafrikas grannländer, inklusive Botswana, Ghana, Kenya, Madagaskar, Mauritius, Moçambique, Namibia och Zambia.

För fas II av projektet förbereds en ny volym av verket “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array”, ”Advancing Astrophysics II”.

Andra radioteleskop

USA bygger Next Generation Very Large Array (ngVLA), eftertraktaren till den nuvarande VLA, som kommer bestå av 25 m antenner, utspridda över 5 505 miles (8 860 km) mellan det kontinentala USA, Hawaii, Puerto Rico och Kanada.

Källa: ngVLA

Ett annat plan är att NASA ska bygga ett massivt radioteleskop på månens mörka sida, en position som skulle skydda det helt från störningar från jorden, kallat LuSEE‑Night‑instrumentet (Lunar Surface Electromagnetic Experiment). Istället för en stor skål kommer detta koncept att använda långa kablar för att upptäcka radiosignaler.

Källa: Cosmo

Ett mycket mer ambitiöst koncept, kallat Lunar Crater Radio Telescope (LCRT), föreställer en design som använder en 3–5 km krater på månen som en skål, med en kilometrlång kabel som mottagarantenn.

Källa: NASA

Slutsats

SKAO-resultaten kommer att vara mycket mindre visuella än från andra teleskop, eftersom de fokuserar på de osynliga och mer komplexa radiosignalerna som produceras av några av de mest massiva objekten i universum, som neutronstjärnor och supermassiva svarta hål i galaxernas centrum.

Dessa resultat kan dock vara lika, om inte mer, transformerande för vår förståelse av universum än data från teleskop som JWST. Detta inkluderar det allra första ögonblicket av universum samt hur gravitationsvågor formar universum som vi känner det.

Det är också ett enormt industriellt och vetenskapligt företag som mobiliserar tusentals av världens bästa hjärnor. Precis som med många tidigare radioastronomiprojekt kommer de extrema tekniska kraven på hårdvara och mjukvara att driva fram vad som kan göras med trådlös datadetektion, halvledare & precisionsproduktion och dataanalys.

Så, utan tvekan, kommer det att bli ihågkommet som ett av de viktigaste och mest transformerande vetenskapliga megaprojekten under det tidiga 2000‑talet.

SKAO relaterat företag

AAC Clyde Space

Medan många företag är involverade i SKAO, är det för vissa en mycket större affär eftersom företaget är mindre och projektet relativt större för dem.

AAC är ett av dem, ett svenskt företag som 2023 vann en anbud för att förse radioteleskopprojektet med sina nyckelradiomottagare för radioastronomi.

Projektet är värt 12 M EUR, och beställningen kommer att levereras under första kvartalet 2027. Varje mottagare är över en meter i diameter och väger 180 kg. Omnisys kommer att leverera 80 kompletta, fungerande och integrerade mottagarsystem till projektet. Den anslutna digitala omvandlaren kommer att byggas av Qualcomm (QCOM ).

Källa: Chalmers SE

Förutom radioteleskopsystem är AAC:s expertis att producera och driva små satelliter. Företagets fokus på små satelliter gynnas av minskande lanseringskostnader till omloppsbana, vilket gör lanseringen av många små satelliter mer lönsam, särskilt med byggandet av satellitkonstellationer (där det mest kända exemplet är SpaceX (SPCX ):s Starlink).

AAC har sin egen konstellation av 15 satelliter som levererar data såsom omloppsbilder, fartygsspårning, precisionsjordbruk, skogsdata etc. till sina kunder utan att de behöver driva egna satelliter.

Företaget planerar att expandera detta “Space Data as a Service”-erbjudande under det kommande decenniet, med tillägg av hyperspektral data för jordbruk 2025, samt VDES (Very High-Frequency Data Exchange System) för fartygskommunikation (med den första satelliten lanserad 2023).

Källa: AAC

Under tiden vinner företaget kontrakt för att bygga nya satelliter, som European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT), den realtidsoptiska och kvantdirekta kommunikationssatelliten ESA OPS‑SAT VOLT, Skottlands första satellit UKube‑1, eller den maritima kommunikationssatelliten Ymir‑1.

Som en nyckelleverantör av satellitsystem till Europa befinner sig företaget i en god position för att dra nytta av regionens mål att förbli en relevant rymdmakt och utveckla egna satellitkonstellationer, även om ESA ligger efter när det gäller återanvändbara raketer jämfört med Kina, SpaceX eller Rocket Lab (följ länken för den dedikerade Rocket Lab‑investeringsrapporten).

(RKLB )
mm

Jonathan är en tidigare biokemistforskare som arbetade med genetisk analys och kliniska prövningar. Han är nu en aktieanalytiker och finansskribent med fokus på innovation, marknadscykler och geopolitik i sin publikation 'The Eurasian Century'.