SKAO – Square Kilometre Array Observatory: Pag-rekord ng mga Alon ng Uniberso

Super na mga Talatakdaan

Astronomy megaprojects na nakakakuha ng pinakamaraming atensyon ay karaniwang mga teleskopyo sa nakikitang spectrum o malapit dito, dahil nagbubuo sila ng maraming kamangha-manghang larawan. Halimbawa, totoo ito para sa ang JWST (James Webb Space Telescope), na sinuri namin nang detalyado sa isang nakaraang artikulo tungkol sa megaproject.

Gayunpaman, ang mga bituin at iba pang mga bagay sa kalawakan ay hindi lamang naglalabas ng mga signal sa anyo ng liwanag. Isa pang mahalagang larangan ng astronomiya ay ang mga radyo teleskopyo para sa pagtuklas ng ibang bahagi ng electromagnetic spectrum, mga radyo signal.

Pinagmulan: SKAO

Noong una, ito ay umaasa sa napakalaking mga antena, tulad ng ngayo’y wala na na 305-metrong lapad na Arecibo observatory, na maaaring nakita mo sa mga pelikula noong 1990s tulad ng GoldenEye ni James Bond o Contact.

Pinagmulan: The Meliorist

Isang ibang teknik ang gumagamit ng maraming maliliit na antena, at pinagsasama ang kabuuang datos sa isang mas malaking larawan nang digital, isang pamamaraan na tinatawag na interferometry, o minsan ay aperture synthesis.

Sa pamamaraang ito, mas malaki ang agwat sa pagitan ng mga antena, mas mataas ang resolusyon ng huling larawan. Ito ay maaaring dahan-dahang bumuo ng mataas na kalidad na imahe kahit mula sa napakabanayad na pinagmulan kung bibigyan ng sapat na oras.

Pinagmulan: NRAO

Ito ang metodong sinusunod ng SKAO (Square Kilometre Array Observatory), isang megaproject na may mga istasyon ng pagtanggap na umaabot hanggang sa hindi bababa sa 3,000 km. Kapag operational na, ang SKA-Mid at SKA-Low ay magiging pinakamalaking radio telescope array sa mundo.

Dapat nitong baguhin ang ating pag-unawa sa Uniberso sa pamamagitan ng pagbibigay ng pinaka-detalyadong impormasyon kailanman sa spectrum ng mga radyo alon.

Radyo Astronomiya

Ang unang pagkakataon na nadetect ang mga radyo alon mula sa kalangitan ay noong 1933, ni Karl Jansky sa Bell Telephone Laboratories, na nadetect ang mga ito mula sa ating Milky Way galaxy.

Mas maraming pagsusuri ang naganap sa mga sumunod na taon, na nagtapos sa ang 1974 Nobel Prize for Physics na iginawad kay Sir Martin Ryle para sa pag-develop ng aperture synthesis (interferometry) at kay Antony Hewish para sa pagkakadiskubre ng mga pulsar (ang mga pulsar ay mabilis na umiikot na neutron star, na naglalabas ng napaka-regular at napakalakas na radyo pulse).

Pinagmulan: Nobel Prize

Ang mga pulsar, pati na rin ang iba pang astronomikong phenomena na kabilang sa pinakamakapangyarihan at pinakamalupit sa Uniberso, tulad ng supermassive black holes, ay maaaring obserbahan lamang sa pamamagitan ng radyo astronomiya. Maaari rin nitong matuklasan ang neutral hydrogen, na kung hindi ay hindi nakikita sa nakikitang liwanag.

Ang radyo astronomiya ay may kalamangan din na gumagana sa anumang kondisyon ng panahon, hindi naapektuhan ng mga ulap sa kalangitan o masamang panahon. Gayundin, ang mga radyo signal ay hindi napipigil ng cosmic dust, na nagbibigay-daan sa radyo astronomiya na “makita” ang mga lugar na hindi kayang makita ng ibang uri ng teleskopyo.

Sa ngayon, karamihan ng radyo astronomiya ay isinasagawa gamit ang radio interferometry, partikular sa mga pasilidad tulad ng 27-dish Very Large Array (VLA) sa New Mexico, USA, at ang 66-dish Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope sa Chile (kasalukuyang pinakamalaking radio telescope array sa mundo).

Historikal, ang radyo astronomiya ay malapit na kaugnay sa pag-unlad ng maraming mahahalagang modernong teknolohiya, kabilang ang:

• Ang imbensyon ng WiFi.
• Magnetic resonance imaging (MRI);
• Mga reference system para sa navigasyon sa kalawakan at GPS;
• Mataas na presisyon na pagmamanman ng paggalaw ng mga tectonic plate, mahalaga para sa mga babala ng lindol.
• Low-noise amplifiers para sa paggamit sa radar, telekomunikasyon, at remote sensing;

Kasaysayan ng SKAO

Ang SKAO ay sa pinagmulan ay isang proyektong dinisenyo upang subukang maabot sa pamamagitan ng interferometry ang katumbas ng isang isang kilometro kuwadrado (isang milyong metro kuwadrado, 10 milyong talampakan kuwadrado) na array.

Ito ay dahil alam na mula pa noong 1980s na ang ganitong kalaking array ay kinakailangan para sa pagsusuri ng paglawak ng Uniberso makalipas lamang ng 100 milyong taon matapos ang Big Bang, sa pamamagitan ng pag-aaral ng mga ulap ng hydrogen, pati na rin ang pagbuo ng mga unang galaxy makalipas ang 1 bilyong taon matapos ang Big Bang.

Ang mga pangunahing kasapi ng proyekto ay Australia, China, Italy, Netherlands, Portugal, South Africa, Switzerland, at UK. Ang ibang mga bansa ay nasa yugto ng pagpasok, may kasunduan sa kooperasyon, o mga tagamasid ng proyekto, na kapansin-pansing wala ang USA sa mga pangunahing bansa.

Pinagmulan: Wikipedia

Isang maikling listahan ng 6 potensyal na disenyo ang pinili noong 2005, at ang SKA Organization ay pormal na itinatag noong 2011.

Pinagmulan: SKAO

Noong 2015, isang napakalaking aklat pang-agham, “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array,” ang isinulat. Ito ay naglalaman ng 135 na kabanata na isinulat ng 1,213 na kontribyutor mula sa 31 nasyonalidad.

Noong 2019, ang SKAO Convention ay nilagda sa Roma, na pormal na kinikilala ang kontribusyon at pakikilahok ng bawat bansa sa proyekto.

Ang konstruksyon ay pinahintulutan noong 2021. Sa pagtatapos ng 2022, mga kontrata na nagkakahalaga ng humigit-kumulang €500m ang naipagkaloob habang patuloy na umuusad ang SKAO sa ambisyosong iskedyul ng konstruksyon.

Ang paunang gastos ay tinantyang €1.8 bilyon noong 2014. Noong 2021, ang kinakailangang badyet ay tinantyang lumago sa $3B.

Sa 2025, makikita ang unang Key Science Planning (KSP) na pagpaplano at mga proposal, na tutukoy eksakto kung ano ang unang iobserbahan ng teleskopyo batay sa proyektong inaalok ng mga indibidwal na pang-agham na koponan mula sa buong mundo.

Pinagmulan: SKAO

Mula 2027 pataas, gagawin ang mga unang obserbasyon, at magiging operational ang radyo teleskopyo, ang beripikasyon na lahat ay gumagana ayon sa plano ay magaganap at ang kapasidad ay lalago kasama ang mga unang obserbasyon na gagawin sa 2029.

Pinagmulan: SKAO

Disenyo ng SKAO

Ang SKAO ay ilalagay bilang 2 magkaibang teleskopyo sa 2 magkaibang kontinente (South Africa para sa SKA-Mid at Australia para sa SKA-Low), na may punong tanggapan sa UK.

Pinagmulan: SKAO

Ang lokasyon sa UK ay ang Jodrell Bank site, isang UNESCO World Heritage Site para sa kontribusyon nito sa pag-unlad ng radyo astronomiya.

Pinagmulan: SKAO

Ang pagpili ng South Africa at Australia ay kaugnay sa mas mababang radio interference sa mga rehiyong ito (mas kaunting lupain at populasyon), lalo na sa mga liblib na disyertong lugar, habang nagbibigay ng magandang tanaw sa Milky Way.

SKA-Mid

Sa pag-abot ng walang kapantay na sukat, isasama ng SKAO sa bahagi nitong SKA-Mid ang hindi bababa sa 197 na ganap na nababaling mga dish, na kinabibilangan sa bagong proyekto ng umiiral na MeerKAT radio telescope, isang 64 na interlink antenna system sa South Africa.

Ang umiiral na MeerKAT radio telescope na may 13.5m-diameter na mga dish ay pagsasamahin sa bahagyang mas malalaking 15m-diameter na SKA dishes, lahat ay isasama sa isang sistema.

Ang pinakamataas na distansya (o baseline) sa pagitan ng mga dish ay magiging 150km, na lilikha ng kabuuang collecting area na 33,000 m².

Ang mga institusyon sa China, Australia, Canada, France, Germany, Italy, South Africa, Spain, United Kingdom, at Sweden ay lahat nag-ambag sa disenyo ng SKA-Mid, at ang iba’t ibang mga komponent ay ipoproseso sa buong mundo bago ipadala sa South Africa para sa pag-assemble.

Bawat 22-meter-taas, 15-meter-diameter na dish ay gagawin mula sa 66 na indibidwal na panel, kung saan bawat isa ay kailangang i-adjust na may average surface accuracy na nasa pagitan ng 0.010 at 0.030mm, upang matiyak ang makinis na collecting surface.

Pinagmulan: SKAO

Ang 160 kg na mga receiver ay nagko-convert ng mga radyo alon mula analog patungo sa digital, na maaaring ilipat sa pamamagitan ng optical fiber at iproseso.

Ang pagpili ng 15-meter na antena ay isang kompromiso sa pagitan ng pangangailangan para sa precision at mataas na depinisyon (mas maganda ang mas maliliit na antena) at ang kakayahang i-scan ang malalaking bahagi ng kalangitan nang sabay-sabay (para dito mas maganda ang mas malalaking antena).

Ang mga limitasyon sa gastos, ang posibilidad ng mass production ng mga dish, bilis ng pag-install, pagpapanatili ng mababang operating costs, at ang kakayahang tiisin ang mga ekstremong pangkapaligiran tulad ng malalakas na hangin o thermal stress ay lahat na isinasaalang-alang sa disenyo ng sistema.

Pinagmulan: SKAO

Sa kabuuan, ang SKA-Mid ay magkakaroon, kung ihahambing sa kasalukuyang pinakamahusay na radio telescope, ng 4 na beses na resolusyon, 5 na beses na sensitivity, at makakagawa ng sky survey nang 60 na beses na mas mabilis.

SKA-Low

Ang SKA-Low ay umaasa sa isang napakaibang disenyo kumpara sa SKA-Mid, na mas kahawig ng ibang radyo teleskopyo na gumagamit ng malalaking antena.

Sa halip, gagamit ang SKA-Low ng 131,072 log-periodic antennas na nakakalat sa 512 na istasyon. Ang mga log-periodic antenna ay mas maliit, 2-meter-taas na antena, dinisenyo upang matuklasan ang low-frequency na radyo alon.

Pinagmulan: ABC

Ang hugis na “Christmas tree” ng antena ay dinisenyo upang makadetect ng bawat posibleng radyo signal sa frequency range na 50 MHz hanggang 350 MHz. Ang mas mahabang signal ay karaniwang pinakalumang, dahil ito ay “na-extend” ng paglawak ng Uniberso.

Ang mga antena mismo ay hindi gumagalaw, ngunit isang teknik na tinatawag na “beamforming” ang ginagamit upang ituro ang mga ito sa tamang direksyon, na epektibong natutukoy kung saan nagmumula ang signal upang mapalakas ito.

Bawat antena ay konektado sa isang smart box, na nagko-convert ng pinalakas na electric signal sa optical data para ilipat sa pamamagitan ng optical fibers papunta sa Central Processing Facility (CPF).

Sa kabuuan, ang SKA-Low antenna ay lumilikha ng kahanga-hangang collecting area na 419,000 m². Ibig sabihin, kahit ang pinakamahina na signal ay maaaring matuklasan, pagsamahin, at mapahusay sa paraang hindi pa nagawa noon.

Pinagmulan: SKAO

Nagbibigay din ito sa SKA-Low ng malaking pagtaas sa performance kumpara sa katulad na pinakamahusay na sistema na kasalukuyang ginagamit, na may 25% na mas mahusay na resolusyon, 8 na beses na sensitivity, at kakayahang i-survey ang kalangitan nang 135 na beses na mas mabilis.

Sa disenyo ng mga SKA-Low antenna, ang pangangailangan na mass-produce ang mga ito ay nagpasya sa maraming opsyon, tulad ng paggawa ng lahat nang walang gumagalaw na bahagi.

Mga Layunin ng SKAO

Ang SKAO ay ilulunsad sa sunud-sunod na mga yugto, habang ang mga sistema ng radyo teleskopyo ay itinatayo.

Sa phase 1, inaasahang magkakaroon ito ng sensitivity na kinakailangan upang matuklasan hanggang 10,000 normal na pulsar, at 1,000 millisecond pulsar (napakabilis at malalakas na pulsar) sa Milky Way. Kapag ganap nang inilunsad, dapat nitong matuklasan ang lahat ng galactic pulsar na naglalabas ng kanilang signal patungo sa Earth.

Magbibigay din ito ng unang detalyadong sukat ng tinatawag na Cosmic Dawn, ang sandali at kondisyon kung kailan nabuo ang mga unang bituin at galaxy, pati na rin ang kasunod na “Era of Reionisation”, na mas kahawig ng kasalukuyang kalagayan ng Uniberso.

Pinagmulan: SKAO

Magagawa rin ng SKAO na suriin ang mga gravitational wave, sa pamamagitan ng kanilang epekto sa mga radyo signal, na kumplemento sa the LIGO gravitational wave detector.

Ang mga sistema ay maaari ring bumuo ng variable na “sub-arrays”, na nagpapahintulot ng sabay-sabay na obserbasyon at eksperimento, gamit lamang ang bahagi ng buong interferometry telescope.

Pinagmulan: SKAO

Mga Teknolohikal na Tagumpay ng SKAO

Paggawa at Epekto sa Ekonomiya

Sa teknikal na antas, kahanga-hanga ang SKAO sa laki at precision nito, partikular sa napaka-precise na paggawa na kinakailangan para sa antena nito, na kailangang ulitin nang daan-daang beses para sa SKA-Mid at daan-daang libong beses para sa SKA-Low.

Ito ay naabot sa pamamagitan ng maraming partnership program kasama ang mga kumpanya mula sa mga bansang kalahok, na nagkaroon ng malakas na epekto sa kanilang kakayahang teknolohikal, pati na rin sa mga lokal na ekonomiya, halimbawa:

• Ang hardware para sa time at frequency distribution ay binuo ng kumpanyang Espanyol na Seven Solutions, na ngayon ay pag-aari na ng multinational aerospace company na Safran Electronics & Defense.
• SIRIO Antenne, isang Italian family business, ay na-kontrata upang gumawa ng unang 78,520 na antena ng teleskopyo sa loob ng humigit-kumulang 2.5 taon
• Ang Australian Ventia ay nanalo ng €125m na kontrata sa loob ng tatlong taon upang maghatid ng imprastruktura para sa SKA-Low telescope sa Australia.
• Ang South Africa Power Adenco, na pag-aari ng 51% ng Adenco Construction, ay nagbibigay ng optical fiber, kalsada, at kuryente na kinakailangan ng proyekto.
• Ang Swedish AAC Clyde Space, sa pamamagitan ng subsidiary nitong AAC Omnisys, ay nagbibigay ng high-precision measuring instruments para sa pag-detect ng radyo alon.

Pamamahala ng Data

Isa pang epekto ng SKAO ay sa paghawak ng data. Habang ang radyo signal na kinokolekta ng mga antena ay kinoconvert sa digital na impormasyon, ito ay lilikha ng isang baha ng data na nangangailangan ng pagproseso.

Ang average na 8 terabits kada segundo ng data ay ililipat sa daan-daang kilometro mula sa SKA-Low telescope sa Murchison outback sa Australia patungo sa processing facility sa Perth. Para sa SKA-Mid sa South Africa, mas malaki pa ang data rate, mga 20 terabits kada segundo. Ito ay 1,000 beses na mas maraming data kaysa sa ALMA radio telescope (ang pinakamalaking sa mundo) na kasalukuyang ginagawa.

Ang bawat data na natanggap ng indibidwal na antena ay bahagyang nasa magkaibang oras, kaya kailangan itong i-align gamit ang ultra-precise na atomic clocks. Ang pangangailangang ito ay napakahigpit na nagdulot ng pagdidisenyo ng mga bagong paraan upang i-synchronize ang data.

Pagkatapos, ang data ay ililipat sa 2 supercomputer na tinatawag na Science Data Processors (SDPs). Bawat isa ay magkakaroon ng processing speed na ~135 PFlops (petaflops), na kabilang sa top 3 pinakamabilis na computer sa mundo noong 2022.

Sa kabuuan, ang proyekto ay mag-aarchive ng 700 petabytes ng data bawat taon, na katumbas ng mga hard drive ng 1.5 milyong normal na laptop.

Karamihan ng computing ay pinapagana ng isang solar plant at mga kaugnay nitong baterya, na may backup na diesel generator.

Lampas sa Phase 1 ng SKAO

Ang Susunod na Hakbang para sa SKAO

Habang dumarami ang mga antena na nakakonekta, ang kapasidad ng SKAO ay lalaki, na tataas sa parehong resolusyon at kabuuang kakayahan sa pag-scan.

Pinagmulan: SKAO

Sa pangmatagalan, idinisenyo ang SKAO upang patuloy na magsama ng higit pang radio telescope arrays. Dapat itong makamit sa pamamagitan ng pagdagdag ng higit pang antena sa Australia, pati na rin ng mga bagong array sa ibang mga bansa sa Africa. Kabilang sa mga bagong partner na kinokonsidera ay marami sa mga karatig bansa ng South Africa, kabilang ang Botswana, Ghana, Kenya, Madagascar, Mauritius, Mozambique, Namibia, at Zambia.

Para sa phase II ng proyekto, isang bagong volume ng “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array” na opus ay inihahanda, “Advancing Astrophysics II”.

Ibang Radio Teleskopyo

Ang USA ay nagtatayo ng Next Generation Very Large Array (ngVLA), na susunod sa kasalukuyang VLA, na gagamit ng 25-meter na mga dish, na nakakalat sa 5,505 milya (8,860 km) sa pagitan ng teritoryo ng continental USA, Hawaii, Puerto Rico, at Canada.

Pinagmulan: ngVLA

Isa pang plano ay para sa NASA na magtayo ng napakalaking radio telescope sa madilim na bahagi ng Buwan, isang posisyon na ganap na magtatakip sa anumang interference mula sa Earth, na tinatawag na LuSEE-Night instrument (Lunar Surface Electromagnetic Experiment). Sa halip na malaking dish, gagamit ang konseptong ito ng mahabang kable upang matuklasan ang mga radyo signal.

Pinagmulan: Cosmo

Isang mas ambisyosong konsepto, na tinatawag na Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) ay naglalarawan ng disenyo na gumagamit ng isang 3-5 km na crater sa Buwan bilang dish, na may kilometro-habang kable na nagsisilbing receiving antenna.

Pinagmulan: NASA

Konklusyon

Ang mga resulta ng SKAO ay magiging mas kaunti ang biswal kumpara sa ibang teleskopyo, dahil nakatuon ito sa hindi nakikita at mas kumplikadong radyo alon na nililikha ng ilan sa pinakamabigat na bagay sa Uniberso, tulad ng neutron star at supermassive black holes sa gitna ng mga galaxy.

Gayunpaman, ang mga resultang ito ay maaaring kasing laki, kung hindi man mas, ng pagbabago sa ating pag-unawa sa Uniberso kaysa sa data mula sa mga teleskopyo tulad ng JWST. Kabilang dito ang pinakaunang sandali ng Uniberso, pati na rin kung paano hinuhubog ng mga gravitational wave ang Uniberso na alam natin.

Ito rin ay isang napakalaking industriyal at siyentipikong pagsisikap, na nagmomobilisa ng libu-libong pinakamagagaling na isip sa mundo. Tulad ng marami sa mga nakaraang proyekto ng radyo astronomiya, ang matinding teknikal na pangangailangan para sa hardware at software na ginagamit ay itutulak pasulong kung ano ang maaaring gawin sa wireless data detection, semiconductors & precision manufacturing, at data analysis.

Kaya, walang duda, ito ay matatandaan bilang isa sa pinakamahalaga at mapagbago na siyentipikong megaproject ng maagang ika-21 siglo.

Kaugnay na Kumpanya ng SKAO

AAC Clyde Space

Habang maraming kumpanya ang kasangkot sa SKAO, para sa ilan ito ay mas malaking kasunduan dahil ang kumpanya ay mas maliit at ang proyekto ay mas malaki para sa kanila.

Ang AAC ay isa sa kanila, isang Swedish na kumpanya na nanalo noong 2023 ng isang tender para magbigay sa proyekto ng radyo teleskopyo ng kanilang pangunahing radio astronomy receivers.

Ang proyekto ay nagkakahalaga ng EUR12M, at ang order ay ihahatid sa unang quarter ng 2027. Ang bawat receiver ay higit sa isang metro ang lapad at may bigat na 180 kg. Ang Omnisys ay maghahatid ng 80 kumpletong gumagana at integrated na receiver system sa proyekto. Ang kalakip na digital converter ay gagawin ng Qualcomm (QCOM ).

Pinagmulan: Chalmers SE

Bukod sa mga sistema ng radyo teleskopyo, ang kadalubhasaan ng AAC ay sa paggawa at pagpapatakbo ng maliliit na satelayt. Ang pokus ng kumpanya sa maliliit na satelayt ay nakikinabang mula sa pagbaba ng gastos ng paglulunsad patungo sa orbit, na ginagawang mas kumita ang paglulunsad ng maraming maliliit na satelayt, lalo na sa pagbuo ng mga satelayt constellations (kung saan ang pinakakilalang halimbawa ay ang Starlink ng SpaceX (SPCX )).

May sariling constellations ang AAC na binubuo ng 15 satelayt, na nagbibigay ng data tulad ng orbital imagery, ship tracking, precision farming, forestry data, atbp., sa kanilang mga kliyente nang hindi na nila kailangang magpatakbo ng sarili nilang satelayt.

Plano ng kumpanya na palawakin ang alok na “Space Data as a Service” sa darating na dekada, magdadagdag ng hyperspectral data para sa agrikultura sa 2025, pati na rin ng VDES (Very High-Frequency Data Exchange System) para sa komunikasyon ng mga barko (na may unang satelayt na inilunsad noong 2023).

Pinagmulan: AAC

Sa pansamantala, nananalo ang kumpanya ng mga kontrata para sa paggawa ng mga bagong satelayt, tulad ng European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT), ang real-time optical at quantum direct-to-earth communication ESA OPS-SAT VOLT, ang unang satelayt ng Scotland na UKube-1, o ang Maritime Communications Satellite na Ymir-1.

Bilang pangunahing tagapagbigay ng mga satellite system sa Europa, ang kumpanya ay nasa magandang posisyon upang makinabang mula sa mga layunin ng rehiyon na manatiling isang mahalagang puwersa sa kalawakan at mag-develop ng sarili nitong mga satellite constellations, kahit na ang ESA ay nahuhuli sa reusable launchers kumpara sa China, SpaceX, o Rocket Lab (sundan ang link para sa dedikadong ulat ng pamumuhunan ng Rocket Lab).