Transcript SKA Square Kilometre Array - Instituto Argentino de Radioastronomía

SKA
Square Kilometre Array
1 millón de m2 de área colectora en el planeta
Tierra para recibir información desde los
confines del Universo
Dra. Gloria Dubner
Temario:
• ¿ Qué es SKA?
• ¿ Para qué se construye?
• ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto?
• ¿ Cómo será?
• ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene
Argentina?
¿ Qué es SKA?
Es un proyecto multinacional para construir el mayor
radiotelescopio
de síntesis de apertura jamás
concebido.
Se pretende que sea al menos 50 veces más sensible y
10.000 veces más rápido que los mejores instrumentos
similares en operaciones en la actualidad.
Superficie colectora 30 veces mayor que el mayor
radiotelescopio construido o diseñado hasta el presente
Usando radiotelescopios se puede explorar el
Universo en una manera única. Las ondas de
radio penetran el polvo y permiten acceder a
regiones oscuras y muy distantes, vedadas al resto
de los instrumentos de exploración del espacio.
Espectro electromagnético
Para qué hacen falta radiotelescopios grandes?
Un radiotelescopio de disco simple
La resolución angular de un telescopio es la capacidad de
discernir detalles finos en la estructura de una radiofuente.
Para un telescopio de disco simple se la puede estimar
como:
D
200.000 x longitud de onda observada (metros)
Diámetro de la antena (metros)
Un radiotelescopio como el del IAR (antena de 30
metros) observando a la longitud de onda del
hidrógeno neutro (21 cm), tiene una resolución
angular D=34’.
El radiotelescopio de disco simple de
Arecibo (Puerto Rico), el más grande del
mundo, con una antena de 300 metros de
diámetro, D = 3’.
Los telescopios ópticos tienen resoluciones
angulares de fracciones de segundo de arco.
Para conseguir resoluciones comparables, hay
que acudir a radiotelescopios de síntesis, o
interferómetros.
Un radiotelescopio de síntesis
Se sintetiza un gran telescopio a partir
de muchos telescopios chicos.
Con un interferómetro de 2 antenas:
Dirección a la fuente

B
T2
T1
Correlador
Computadora
Se necesitan medir correlaciones cruzadas sobre
el mayor número de espaciados posibles
Dirección a la fuente
Con n antenas, se consiguen n(n-1)/2 espaciados
El plano u-v
• Visto desde la fuente, cada línea de base traza una
elipse con un telescopio en el centro de la elipse:
La línea de base
proyectada
puede especificarse usando
coordenadas u-v.
v

T1
T2
u
u da la componente Este-Oeste y
v la componente Norte-Sur
• El plano u-v podría compararse aproximadamente
con el plano de la superficie de un disco simple
Ejemplos de planos u-v para un telescopio aprox. a la latitud
de Buenos Aires
declinación=-85o
declinación=-40o
declinación=-10o
Very Large Array
27 antenas de 25 m de diám. c/u. Pueden
simular varios telescopios. El de mayor
apertura tiene un diámetro de 36 km
Arreglo de 6 antenas en Narrabri (Australia)
Radiotelescopio en Pune (India)
ALMA,
Chajnantor
(Chile)
Temario:
• ¿ Qué es SKA?
• ¿ Para qué se construye?
• ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto?
• ¿ Cómo será?
• ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene
Argentina?
El Comité Internacional Asesor de Ciencia para el
proyecto SKA ha definido una serie de proyectos
científicos clave en los cuales este instrumento podrá
hacer una contribución fundamental.
Los objetivos centrales para SKA se definieron por
medio de un concurso internacional.
Ciencia transformadora
Todas estas investigaciones producirán resultados
exclusivamente accesibles a la banda de ondas de radio,
que serán complementarios de los estudios de los
restantes proyectos instrumentales de astronomía de
frontera en otras bandas del espectro.
Materia oscura
23%
Atomos
4%
Energia
oscura
73%
¿Qué es la misteriosa energía oscura?
¿Cómo se forman las galaxias y cómo
evolucionan?
La evolución del Universo y la formación de
estructura a gran escala parece estar gobernada
por la extraña acción de una “energía oscura” .
Aparte del hecho observado de que dicha energía
ha causado una aceleración reciente en la
expansión del Universo, sus propiedades son
virtualmente ignoradas.
A través de la detección de HI en galaxias normales
con muy alto z (muy distantes, muy antiguas) se
podrá obtener un excepcional espectro de potencia
de la materia, con el cual se podrá computar la
Ecuación de Estado y la intensidad de la Energía
Oscura como función de la época cósmica.
Con un campo de vista mayor que 10º, en poco
más de 1 año de operación, se esperan localizar
1000 millones de galaxias nuevas sobre un vasto
volumen hasta un z = 1.5.
El resultado será la medición más precisa jamás
alcanzada del patrón de agrupamiento de las galaxias,
probando los modelos teóricos de crecimiento de la
estructura en el Universo.
 Las Eras Oscuras del Universo
¿Qué ocurrió después del Big Bang antes de que se
formen las primeras estrellas y galaxias?
¿Qué se formó primero, estrellas o galaxias?
Se podrán investigar los complicados procesos que
tuvieron lugar durante la época de la reionización
mediante la observación de la línea de 21cm del HI con
muy alto corrimiento al rojo.
Con la alta sensibilidad de SKA será posible analizar
los cambios en la distribución del hidrógeno neutro en
el Universo a través del tiempo. Asimismo, estudiando
CO a muy alto z se podrá observar formación de
estrellas en galaxias muy lejanas.
la historia cósmica
Tiempo desde el Big Bang
(en años)
~300 mil
~500 millones
Big Bang
El Universo lleno
con gas ionizado
 El Universo se vuelve neutro
y opaco
Comienzan las Eras Oscuras
Comienzan a formarse
galaxias y quasares
Comienza la reionización
El renacimiento cósmico
Terminan las Eras Oscuras
~ 1000 millones
Reionización completa.
el Universo vuelve a ser
transparente
Las Galaxias evolucionan
~9000 millones
~13000 millones
Se forma el Sistema Solar
Hoy:los astrónomos imaginan
el pasado
SKA permitirá detectar los
primeros agujeros negros
Se podrán producir detallados mapas 3-D del primer
entramado cósmico de gas neutro
Los paneles muestran simulaciones del H neutro en el
Universo evolucionando con el tiempo. Las regiones oscuras
corresponden a regiones altamente ionizadas y las brillantes
son regiones de gas neutro.
 La cuna de la vida
¿Estamos solos en el Universo?
¿ Hay otros planetas del tipo terrestre?
¿En las regiones de formación estelar: qué
moléculas son relevantes para la formación
de planetas y de vida?
Investigando el proceso de formación de planetas
alrededor de estrellas jóvenes, se podrá comprender
como se forman los planetas “tipo-terrestres”.
Se espera poder detectar “huecos” en los discos
protolanetarios que revelen la formación de planetas.
Podrá estudiar discos protoplanetarios con una resolución de
hasta 0.15 UA (~ 22 millones de km! a 20 GHz) hasta una distancia de
500 años luz. Esto abarca muchas de las regiones de formación
estelar mejor estudiadas de la Galaxia. Podrá detectar
aminoácidos y otras biomoléculas complejas.
SKA ofrecerá la posibilidad de detectar
transmisiones de radio provenientes de vida
inteligente en el espacio.
Podrá “escuchar” señales no más intensas que
las generadas por la TV o por radares con
tecnologías del siglo XX en nuestro planeta.
 Tests
de campos de gravedad intensos
¿Es correcta la Teoría de la Relatividad General de
Einstein?
¿Cuáles son las propiedades de los agujeros
negros?
¿Quedan aún irregularidades en el espacio-tiempo
del Universo temprano?
SKA podrá descubrir decenas de miles de pulsares, algunos de
los cuales orbitarán agujeros negros. Estos sistemas proveerán
los tests más extremos de la relatividad general.
También podrá descubrir “ondulaciones” en el espacio-tiempo
detectando ondas gravitacionales de fondo (p. ej. de la fusión
de agujeros negros supermasivos). SKA será un gigantesco
detector de ondas gravitacionales , sensible a frecuencias de
Nano-Hz, invisibles a los detectores (actuales y futuros) de
ondas gravitacionales.
 El origen y evolución
del magnetismo cósmico
•La radioastronomía es la única herramienta para
estudiar campos magnéticos a grandes distancias.
• Se podrá caracterizar completamente la evolución de
campos magnéticos en galaxias y cúmulos desde z > 3
hasta el presente.
•Medir intensidad y estructura del campo magnético
en el medio intergaláctico, determinar la conexión
entre la formación de B y la formación de estructura
en el Universo temprano.
•Proveer respuestas sobre cómo y cuándo se generaron
los primeros campos magnéticos en el Universo
Explorar lo desconocido
La radioastronomía es responsable de algunos de los mayores
descubrimientos en física y astrofísica del último siglo:
 Radiación de fondo cósmico
 Quasares
SKA será un instrumento versátil,
 Pulsares
 Lentes gravitacionales
multi-propósito,
 Materia oscura
 Masereslisto para esperar lo inesperado
 Ondas gravitacionales
 Los primeros planetas extra-solares
Temario:
• ¿ Qué es SKA?
• ¿ Para qué se construye?
• ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto?
• ¿ Cómo será?
• ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene
Argentina?
El costo final de SKA se estima en:
1000 millones de U$S.
(de los cuales ~ 280 millones de U$S van para
infraestructura en el país donde se instale)
Se realiza con el esfuerzo económico y tecnológico
de 34 instituciones de 15 países: Alemania, Australia,
Canadá, China, España, Estados Unidos, Francia,
Holanda, India, Italia, Polonia, Reino Unido, Rusia,
Sudáfrica y Suecia.
Estos países llevan al presente invertidos y
comprometidos más de 100 millones de dólares.
infraestructura 20%
antenas 30%
computación 15%
sistemas de radiofrecuencia 4%
procesadores digitales
de señales (DSP) 22%
enlaces de fibra óptica 9%
Temario:
• ¿ Qué es SKA?
• ¿ Para qué se construye?
• ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto?
• ¿ Cómo será?
• ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene
Argentina?
Para lograr sus metas, SKA se ha planteado desde su
inicio como un desafío tecnológico y de ingeniería.
Las antenas (cientos? miles?) estarán distribuídas en
estaciones que se extenderán hasta más de 3000 km.
Las señales se transportaran por fibra óptica a
velocidades de transmisión aún no alcanzadas
tecnológicamente en el mundo.
Metas de diseño
Que opere entre: 0.1 y 25 GHz
Campo de vista: 1 grado cuadrado a 1.4 GHz
200 ‫״‬
‫״‬
a 0.7 GHz
4 campos de vista simultáneos
Resolución angular: 0‫״‬.1 a 1.4 GHz
0‫״‬.2 a 0.7 GHz
No. de canales espectrales: 10.000 por banda
Velocidad de procesamiento de datos: 1015 operac./seg.
Transmisión de datos: 1 Tera (1012) byte/minuto
(comparar con 1Mb (106)/seg Internet“rápida” )
Configuraciones posibles de SKA
El millón de metros cuadrados de área colectora de SKA
podrá estar distribuído en :
• un gran número de pequeñas antenas (LNSD)
• pequeño número de grandes antenas (SNLD)
En cualquier caso el área colectora deberá distribuirse :
NÚCLEO (core): 20% del AC dentro de 1 km de diámetro
ÁREA CENTRAL: 50% del AC dentro de un anillo entre 1 y 5 km
de diámetro siguiendo una espiral logarítmica
simétrica
ESTACIONES REMOTAS: 75% del AC distribuida sobre brazos
espirales logarítmicos dentro de 150 km
25% del AC hasta por lo menos 3000 km
THEA (Thousand Element Array): Consiste en la utilización de
arreglos de antenas en mosaico con más de 50 millones de
elementos receptores con un formador digital de haz adaptativo.
Cada mosaico estará formado por 64 antenas de banda ancha y
puede ser usado para múltiples apuntamientos al cielo
simultáneamente.
LAR (Large Adaptive Reflector): Será un gran radiotelescopio
orientable formado por unidades de 200 m de diámetro, construidas a
base de paneles planos. La forma total del reflector será ajustada por
computadoras. El receptor estará sostenido por un globo aerostático
suspendido a 500 m por encima del reflector.
LNSD (Large N Small D): Consiste en 4400 antenas parabólicas de 12 m
de diámetro con un alimentador secundario de 6 m de diámetro, que podría
estar descentrado (como en el Allen Telescope Array desarrollado en
California por el Instituto SETI ) o centrado (actualmente en estudio en la
NASA).
KARST (Kilometre-square Area Radio Synthesis
Telescope): Se propone construir
un arreglo de
antenas casi planas (de 300 a 500 m de diámetro)
aprovechando depresiones naturales (llamadas karst en
chino), abundantes en la Prov. Guizhou en el sudoeste
de China. Cada antena será tipo Arecibo pero con
reflector activo y con un área colectora más de dos
veces mayor.
San Juan
Barreal blanco
Observatorio CASLEO
Núcleo y región central
Cordón del Medio (2800 m)
Pampa del
Peñasco
(2650 m)
Sierra del
Tontal
(4368 m)
Cordón de
los Naranjos
(3225 m)
CASLEO (2550m)
Configuración asimétrica de 5 brazos
Configuración asimétrica de 5 brazos
Pacific Ocean
Bolivia
Uruguay
Atlantic Ocean
tolerancia
de 10%
CASLEO
SITIO CENTRAL
Province of San Juan, Argentina
Altitude ~ 2550m above sea level
λ= 69o 16‘ 18“ W; φ= -31o 42‘ 21"
Pampa del
Peñasco
CASLEO
Pampa del
Medio
Inversiones en el pais
Adquisicion de
Construcciones tierras
10%
1%
Trabajos en el
sitio
11%
Fibra optica
25%
Adquisicion de tierras
Fibra optica
Potencia electrica
Construccion de caminos
Construccion de
caminos
31%
Potencia electrica
22%
Trabajos en el sitio
Construcciones
N
W
Power (dBm)
Algunas mediciones de interferencias en radiofrecuencias
S
Frequency (MHz)
Visibilidad de las fuentes
Taurus
Ophiucus
Galactic Centre
h =30o
Chamaeleon
Visibility (hours)
h=
Elevation limit (h)=20o
25o
Declination
Source Visibility
Visibility (hours)
h=
Elevation limit (h)=20o
25o
h =30o
SMC
LMC
195, 0o)
Galactic Plane
Declination
(~72%)
(54o, 0o)
Oportunidades de observación simultánea con grandes
telescopios existentes o proyectados
Altitude limit of 30o
Visibility (hours)
ópticos
SKA
radio
ALMA
APEX
CBI
ASTE
Declination
CTIO
ESO
LCO
SOAR
VLT
uv coverage
Planificación
1994: Concepto - Grupo de trabajo Internacional
1995: Comienzo de diseño de prototipos
2000: Firma del Memorando de Entendimiento
Extendido en 2005
2006: Ranking de sitios
2008: Decisión final de sitio
2009: Decisión técnica final
2010: Construcción de los prototipos en el sitio
2013: Comienzo de operaciones
2114: Construcción del arreglo completo
2020: Operación a full.
2070: Estimado fin de operaciones
Colaboradores geógrafos:
Tareas de candidatura auspiciadas
y financiadas por:
Dra. Susana Sassone
Tte. Cnel. Julio
Benedetti
Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación
Productiva
(SECYT)
Lic. Darío Sanchez
Consejo Nacional de InvestigacionesLic.
Científicas
Técnicas (CONICET)
Brenda yMatosian
Andrea
Calligaro
Comité SKA-en
Argentina:
Dr. Marcelo Arnal, Dra.Gloria Dubner, Dra. Elsa Giacani
Dr. Hugo Levato, Dr. Ricardo Morras, Dra. Estela Reynoso
Colaboradores para
estudios de ionósfera:
Lic. Marta Mosert
Dr. Claudio Brunini
Dr. Rodolfo Ezquer
Colaboradores multidisciplinarios:
Dr. Aníbal Gattone (transmisión de datos)
Lic. Andres Asiaín (economía y sociedad)
Lic. Patricio Parente (antropología)
Ingenieros y Técnicos del IAR
Ingenieros y Técnicos del CASLEO
Arquitectos, Geólogos, etc.
http://www.skatelescope.org
http://www.skads-eu.org/p/SKADS_documents.html
http://www.iar.unlp.edu.ar/SKA