Lavfrekvent matrise (LOFAR) - Low-Frequency Array (LOFAR)

Lavfrekvent matrise
LOFAR Superterp.jpg
LOFAR -kjernen ("superterp") i nærheten av Exloo, Nederland. Broene gir en ide om skalaen.
Alternative navn Lavfrekvent matrise Rediger dette på Wikidata
Sted (er) 3 km nord for Exloo , Nederland (kjerne)
Koordinater 52 ° 54′32 ″ N 6 ° 52′08 ″ E / 52,90889 ° N 6,86889 ° Ø / 52,90889; 6.86889 Koordinater: 52 ° 54′32 ″ N 6 ° 52′08 ″ E / 52,90889 ° N 6,86889 ° Ø / 52,90889; 6.86889 Rediger dette på Wikidata
Organisasjon ASTRON
Bølgelengde 30 til 1,3 m ( radio )
bygget 2006–2012
Teleskopstil Faset rekke på totalt ~ 20.000 dipolantenner
Diameter 1000 km eller mer
Oppsamlingsområde opptil 1 km 2
Brennvidde Ikke tilgjengelig
Montering fikset
Nettsted http://www.lofar.org
Low-Frequency Array (LOFAR) er lokalisert i Nederland
Lavfrekvent matrise (LOFAR)
Plassering av lavfrekvensarray
Commons -side Relaterte medier på Wikimedia Commons

The Low-Frequency Array , eller LOFAR , er et stort radioteleskopnettverk hovedsakelig i Nederland, fullført i 2012 av ASTRON , Netherlands Institute for Radio Astronomy og dets internasjonale partnere, og operert av ASTRONs radioobservatorium, fra den nederlandske organisasjonen for Vitenskapelig forskning.

LOFAR består av et stort utvalg av omnidireksjonelle antenner som bruker et nytt konsept der signalene fra de separate antennene ikke kombineres i sanntid slik de er i de fleste matriseantenner . De elektroniske signalene fra antennene digitaliseres, transporteres til en sentral digital prosessor og kombineres i programvare for å etterligne en konvensjonell antenne. Prosjektet er basert på et interferometrisk utvalg av radioteleskoper som bruker omtrent 20 000 små antenner konsentrert i 52 stasjoner for tiden. 38 av disse stasjonene er distribuert over hele Nederland og ble finansiert av ASTRON. De seks stasjonene i Tyskland, tre i Polen og en hver i Frankrike, Storbritannia, Irland, Latvia og Sverige, ble finansiert av disse landene. Italia ble offisielt med i International LOFAR Telescope (ILT) i 2018, og en stasjon i nærheten av Bologna skulle bli operativ kort tid etter 2020. Ytterligere stasjoner kan også bygges i andre europeiske land. Det totale effektive innsamlingsområdet er omtrent 300 000 kvadratmeter, avhengig av frekvens og antennekonfigurasjon. Fram til 2014 ble databehandling utført av en Blue Gene/P -superdatamaskin som ligger i Nederland ved University of Groningen . Siden 2014 bruker LOFAR en GPU-basert korrelator og stråleformer, COBALT, for den oppgaven. LOFAR er også en teknologiforløper for Square Kilometer Array .

Teknisk informasjon

Lavbåndsantenne med elektronikkhytte i bakgrunnen

LOFAR ble oppfattet som en innovativ innsats for å tvinge til et gjennombrudd i sensitivitet for astronomiske observasjoner ved radiofrekvenser under 250 MHz. Astronomiske radiointerferometre består vanligvis enten av arrays av parabolske retter (f.eks. One-Mile Telescope eller Very Large Array ), arrays av endimensjonale antenner (f.eks. Molonglo Observatory Synthesis Telescope ) eller todimensjonale arrays av omnidireksjonelle antenner (f.eks. Antony Hewish 's interplanetariske Scintillasjon Array ).

LOFAR kombinerer aspekter ved mange av disse tidligere teleskopene; spesielt bruker den omnidireksjonelle dipolantenner som elementer i et faset array på individuelle stasjoner, og kombinerer de fasede matrisene ved hjelp av blender -synteseteknikken som ble utviklet på 1950 -tallet. I likhet med tidligere Cambridge Low Frequency Synthesis Telescope (CLFST) lavfrekvente radioteleskop, har utformingen av LOFAR konsentrert på bruk av et stort antall relativt billige antenner uten bevegelige deler, konsentrert i stasjoner, med kartlegging utført ved hjelp av blenderåpning syntese programvare . Observasjonsretningen ("stråle") til stasjonene velges elektronisk av faseforsinkelser mellom antennene. LOFAR kan observere i flere retninger samtidig, så lenge den samlede datahastigheten forblir under taket. Dette tillater i prinsippet en flerbrukerbetjening.

LOFAR gjør observasjoner i frekvensområdet 10 MHz til 240 MHz med to typer antenner: Low Band Antenna (LBA) og High Band Antenna (HBA), optimalisert for henholdsvis 10-80 MHz og 120-240 MHz. De elektriske signalene fra LOFAR -stasjonene digitaliseres, transporteres til en sentral digital prosessor og kombineres i programvare for å kartlegge himmelen. Derfor er LOFAR et "programvareteleskop". Kostnaden for slike teleskoper domineres av kostnadene for elektronikk og vil derfor for det meste følge Moores lov , bli billigere med tiden og tillate stadig større teleskoper å bli bygget. Hver antenne er ganske enkel, men det er omtrent 20 000 i LOFAR -serien.

LOFAR -stasjoner

For å gjøre radioundersøkelser av himmelen med tilstrekkelig oppløsning, er antennene arrangert i klynger som er spredt ut over et område med mer enn 1000 km i diameter. LOFAR -stasjonene i Nederland når basislinjer på omtrent 100 km. LOFAR mottar for tiden data fra 24 kjernestasjoner (i Exloo ), 14 'eksterne' stasjoner i Nederland og 14 internasjonale stasjoner. Hver av kjerne- og fjernstasjonene har 48 HBA og 96 LBA og totalt 48 digitale mottakerenheter (RCUer). Internasjonale stasjoner har 96 LBA og 96 HBA og totalt 96 digitale mottakerenheter (RCU).

LOFAR-stasjonen med en diameter på 60 m bestående av 96 dipolantenner (forgrunn) ved Bad Münstereifel- Effelsberg , ved siden av 100 m radioteleskopet (bakgrunn), begge drevet av Max Planck Institute for Radio Astronomy Bonn, Tyskland

Plasseringene til de internasjonale LOFAR -stasjonene er:

NenuFAR

NenuFAR-teleskopet er samlokalisert ved Nançay-radioteleskopet . Det er en forlengelse av Nançay LOFAR-stasjonen (FR606), og legger til 96 lavfrekvente fliser, hver bestående av en "mini-array" med 19 kryssede dipolantenner, fordelt i en sirkel med en diameter på omtrent 400 m. Flisene er en sekskantet klynge med analogt fasede antenner. Teleskopet kan fange radiofrekvenser i området 10-85 MHz, og dekker også LOFAR-lavt bånd (30-80 MHz). NenuFAR-arrayet kan fungere som en høysensitiv LOFAR-kompatibel super-LBA-stasjon (LSS), som fungerer sammen med resten av LOFAR for å øke til matrisens globale følsomhet med nesten en faktor to, og forbedre matrisens bildemuligheter. Det kan også fungere som en andre supercore for å forbedre tilgjengeligheten av matriser. På grunn av sin dedikerte mottaker kan NenuFAR også fungere som et frittstående instrument, kjent som NenuFAR/frittstående i denne modusen.

Andre stasjoner

Den irske LOFAR-serien (I-LOFAR) i Birr , County Offaly.

I tillegg distribueres et sett med LOFAR -antenner på KAIRA (Kilpisjärvi Atmospheric Imaging Receiver Array) nær Kilpisjärvi , Finland . Denne installasjonen fungerer som en VHF- mottaker enten i frittstående modus eller som en del av et bistatisk radarsystem sammen med EISCAT- sender i Tromsø .

Data overføring

Krav til datatransport ligger i området fra flere gigabit per sekund per stasjon, og prosessorkraften som trengs er titalls TeraFLOPS . Dataene fra LOFAR lagres i LOFARs langsiktige arkiv. Arkivet er implementert som en distribuert lagring med data spredt over Target datasenter som ligger i Donald Smits senter for informasjonsteknologi ved University of Groningen , SURFsara  [ nl ] senter i Amsterdam og Forschungszentrum Jülich i Tyskland.


Følsomhet

LOFARs oppgave er å kartlegge universet ved radiofrekvenser fra ~ 10–240 MHz med større oppløsning og større følsomhet enn tidligere undersøkelser, for eksempel 7C og 8C undersøkelser, og undersøkelser av Very Large Array (VLA) og Giant Meterwave Radio Teleskop (GMRT) .

LOFAR vil være det mest følsomme radioobservatoriet med sine lave observasjonsfrekvenser til Square Kilometer Array (SKA) kommer online i slutten av 2020 -årene. Selv da vil SKA bare observere ved frekvenser> 50 MHz, og LOFARs vinkeloppløsning vil forbli langt overlegen.

Vitenskapelig sak

Ved lave radiofrekvenser domineres himmelen av små lyse kilder (vist er et 151 MHz kart over regionen: 140 ° til 180 ° galaktisk lengdegrad; -5 ° til 5 ° galaktisk breddegrad). LOFAR vil ha tilstrekkelig troskap og følsomhet til å se svak struktur mellom disse lyse kildene på grunn av det store antallet matriseelementer.

Følsomhetene og romlige oppløsningene som kan oppnås med LOFAR muliggjør flere grunnleggende nye studier av universet, i tillegg til å legge til rette for unike praktiske undersøkelser av jordens miljø. I den følgende listen er begrepet z en dimensjonsløs mengde som indikerer rødforskyvningen av radiokildene sett av LOFAR.

  • I det fjerne universet ( 6 < z <10 ) kan LOFAR søke etter signaturen produsert ved reionisering av nøytralt hydrogen . Denne avgjørende faseforandringen er spådd å skje i epoken med dannelsen av de første stjernene og galakser, som markerer slutten på de såkalte " mørke tidsalder ". Den redshift ved hvilken reionisering er tenkt å skje vil forskyve 21 cm linje av nøytralt hydrogen ved 1420,40575 MHz inn i LOFAR observere vinduet. Frekvensen som observeres i dag er lavere med en faktor 1/(z+1).
  • I det fjerne "formative" universet ( 1,5 < z <7 ) er LOFAR i stand til å oppdage de fjerneste massive galakser og vil studere prosessene som de tidligste strukturene i universet (galakser, klynger og aktive kjerner ) danner og undersøker intergalaktisk gass .
  • I det magnetiske universet kartlegger LOFAR fordelingen av kosmiske stråler og globale magnetiske felt i våre egne og nærliggende galakser, i galaksehoper og i det intergalaktiske mediet.
  • Universet med høy energi, LOFAR, oppdager de kosmiske strålene med ultrahøy energi når de gjennomborer jordens atmosfære . En egen teststasjon for dette formålet, LOPES , har vært i drift siden 2003.
  • Innenfor Melkeveis -galaksen har LOFAR oppdaget mange nye pulsarer innen få kpc fra Solen, har søkt etter kortvarige forbigående hendelser produsert av stjernesammenslåinger eller svart hull, og vil lete etter utbrudd fra Jupiter -lignende ekstrasolare planeter .
  • I solsystemet oppdager LOFAR koronale masseutstøtninger fra solen og gir kontinuerlige store kart over solvinden . Denne viktige informasjonen om solvær og dens effekt på jorden letter spådommer om kostbare og skadelige geomagnetiske stormer .
  • Innenfor Jordens umiddelbare miljø vil LOFAR kontinuerlig kartlegge uregelmessigheter i ionosfæren , oppdage ioniserende effekter av fjerne gammastråler og blitsene som er spådd fra de kosmiske strålene med høyest energi , hvis opprinnelse er uklare.
  • Ved å utforske et nytt spektralvindu vil LOFAR sannsynligvis gjøre alvorlige funn. Påvisning av nye klasser av objekter eller nye astrofysiske fenomener har resultert fra nesten alle tidligere fasiliteter som åpner nye områder av spekteret, eller presset instrumentelle parametere, for eksempel sensitivitet med mer enn en størrelsesorden.

Sentrale prosjekter

Epoken med reionisering

En av de mest spennende, men teknisk mest utfordrende, applikasjonene av LOFAR vil være søket etter rødskiftede 21 cm linjeavgivelse fra epoken for reionisering (EoR). Det antas at 'Dark Ages', perioden etter rekombinasjon da universet ble nøytralt, varte til rundt z = 20. WMAP- polarisasjonsresultater ser ut til å antyde at det kan ha blitt forlenget, eller til og med flere faser av reionisering, og starten kan være rundt z ~ 15-20 og slutter på z ~ 6. Ved å bruke LOFAR kan rødforskyningsområdet fra z = 11,4 (115 MHz) til z = 6 (200 MHz) undersøkes. Det forventede signalet er lite, og det er utfordrende å koble det fra det mye sterkere utslippet i forgrunnen.

Dype ekstragalaktiske undersøkelser

En av de viktigste applikasjonene til LOFAR vil være å utføre store himmelundersøkelser. Slike undersøkelser er godt tilpasset egenskapene til LOFAR og har blitt utpekt som et av de viktigste prosjektene som har drevet LOFAR siden starten. Slike dype LOFAR -undersøkelser av den tilgjengelige himmelen ved flere frekvenser vil gi unike kataloger over radiokilder for å undersøke flere grunnleggende områder innen astrofysikk, inkludert dannelse av massive sorte hull , galakser og klynger av galakser. Fordi LOFAR -undersøkelsene vil undersøke en uutforsket parameter i universet, er det sannsynlig at de vil oppdage nye fenomener. I februar 2021 ga astronomer ut for første gang et veldig høyoppløselig bilde av 25.000 aktive supermassive sorte hull , som dekker fire prosent av den nordlige himmelen , basert på ultra-lave radiobølgelengder , slik det ble oppdaget av LOFAR.

Forbigående radiofenomener og pulsarer

Kombinasjonen av lave frekvenser, rundstrålende antenner, høyhastighets datatransport og databehandling betyr at LOFAR vil åpne en ny æra for overvåking av radiohimmelen. Det vil være mulig å gjøre sensitive radiokart over hele himmelen synlig fra Nederland (omtrent 60% av hele himmelen) på bare en natt. Forbigående radiofenomener, bare antydet av tidligere smalfeltundersøkelser, vil bli oppdaget, raskt lokalisert med enestående nøyaktighet, og automatisk sammenlignet med data fra andre fasiliteter (f.eks. Gammastråler, optiske røntgenobservatorier). Slike forbigående fenomener kan være forbundet med eksploderende stjerner, sorte hull, bluss på sollignende stjerner, radioutbrudd fra eksoplaneter eller til og med SETI- signaler. I tillegg vil dette viktige vitenskapsprosjektet foreta en dyp undersøkelse for radiopulsarer ved lave radiofrekvenser, og vil prøve å oppdage gigantiske radioutbrudd fra roterende nøytronstjerner i fjerne galakser.

Kosmiske stråler med høy energi

LOFAR tilbyr en unik mulighet i partikkel fysikk for å studere opprinnelsen av høy energi og ultra-høy-energi kosmiske stråler (HECRs og UHECRs) ved energier mellom 10 15 -10 20,5 eV. Både lokalitetene og prosessene for å akselerere partikler er ukjente. Mulige kandidatkilder til disse HECR-ene er sjokk i radiolapper av kraftige radiogalakser, intergalaktiske sjokk som ble skapt under epoken med galaksedannelse, såkalte Hyper-novae, gammastråleutbrudd eller forfallsprodukter av supermassive partikler fra topologiske defekter, igjen fra faseoverganger i det tidlige universet. Den primære observerbare er den intense radiopulsen som produseres når en primær CR treffer atmosfæren og produserer en omfattende luftdusj (EAS). En EAS er innrettet langs bevegelsesretningen til primærpartikkelen, og en vesentlig del av komponenten består av elektron-positronpar som avgir radioemisjon i den terrestriske magnetosfæren (f.eks. Geosynkrotronemisjon).

Kosmisk magnetisme

LOFAR åpner vinduet for de så langt uutforskede lavenergi-synkrotronradiobølgene, som sendes ut av kosmiske stråleelektroner i svake magnetfelt. Svært lite er kjent om opprinnelsen og utviklingen av kosmiske magnetfelt. Plassen rundt galakser og mellom galakser kan alle være magnetiske, og LOFAR kan være den første til å oppdage svake radioutslipp fra slike regioner. LOFAR vil også måle Faraday-effekten , som er rotasjonen av polarisasjonsplanet for lavfrekvente radiobølger, og gir et annet verktøy for å oppdage svake magnetfelt.

Solfysikk og romvær

Solen er en intens radiokilde. Den allerede sterke termiske strålingen til den 10 6 K varme solcoronaen er overlagt av intense radiosurger som er assosiert med fenomener i solaktiviteten, som bluss og koronale masseutstøtninger (CME). Solstrålestråling i LOFAR -frekvensområdet sendes ut i midten og øvre korona. Så LOFAR er et ideelt instrument for studier av lanseringen av CME -er på vei mot interplanetarisk rom. LOFARs bildefunksjoner vil gi informasjon om hvorvidt en slik CME kan ramme jorden. Dette gjør LOFAR er et verdifullt instrument for romværet studier.

Solobservasjoner med LOFAR vil omfatte rutinemessig overvåking av solaktiviteten som roten til romværet. Videre muliggjør LOFARs fleksibilitet raske reaksjoner på solradioutbrudd med oppfølgingsobservasjoner. Solar fakkel produserer energiske elektroner som ikke bare fører til utslipp av ikke-termisk solstråling. Elektronene avgir også røntgenstråler og varmer opp det omgivende plasmaet. Så felles observasjonskampanjer med andre bakke- og rombaserte instrumenter, f.eks. RHESSI , Hinode , Solar Dynamics Observatory (SDO) , og etter hvert gir Advanced Technology Solar Telescope og Solar Orbiter innsikt i denne grunnleggende astrofysiske prosessen.

Tidslinje

"Zernikeborg" -bygningen, som huser University of Groningen's datasenter

På begynnelsen av 1990 -tallet ble studiet av blenderåpningsteknologi for radioastronomi aktivt studert av ASTRON - Netherlands Institute for Radio Astronomy. Samtidig begynte vitenskapelig interesse for et lavfrekvent radioteleskop å dukke opp ved ASTRON og ved de nederlandske universitetene. En mulighetsstudie ble gjennomført og internasjonale partnere søkt i løpet av 1999. I 2000 ble den nederlandske LOFAR -styringskomiteen nedsatt av ASTRON -styret med representanter fra alle interesserte nederlandske universitetsavdelinger og ASTRON.

I november 2003 bevilget den nederlandske regjeringen 52 millioner euro for å finansiere infrastrukturen til LOFAR under Bsik -programmet. I samsvar med Bsik -retningslinjene ble LOFAR finansiert som et tverrfaglig sensorarrangement for å lette forskning innen geofysikk , datavitenskap og landbruk samt astronomi .

I desember 2003 ble LOFARs første teststasjon (ITS) operativ. ITS-systemet består av 60 inverse V-formede dipoler; hver dipol er koblet til en forsterker med lav støy (LNA), som gir nok forsterkning av de innkommende signalene til å transportere dem over en 110 m lang koaksialkabel til mottakerenheten (RCU).

26. april 2005 ble en IBM Blue Gene/L -superdatamaskin installert ved matematikksenteret ved University of Groningen for LOFARs databehandling . På den tiden var den den nest kraftigste superdatamaskinen i Europa , etter MareNostrum i Barcelona . Siden 2014 utfører en enda kraftigere dataklynge (korrelator) kalt COBALT korrelasjonen av signaler fra alle individuelle stasjoner.

I august/september 2006 ble den første LOFAR-stasjonen ( Core Station CS001 , alias CS1 52 ° 54′32 ″ N 6 ° 52′8 ″ E / 52,90889 ° N 6,86889 ° Ø / 52,90889; 6.86889 ) satt i feltet ved hjelp av forhåndsproduksjonsmaskinvare. Totalt 96 dobbeltdipolantenner (tilsvarer en full LOFAR-stasjon) er gruppert i fire klynger, den sentrale klyngen med 48 dipoler og andre tre klynger med 16 dipoler hver. Hver klynge er omtrent 100 m stor. Klyngene er fordelt over et område på ~ 500 m i diameter.

I november 2007 ble den første internasjonale LOFAR -stasjonen ( DE601 ) ved siden av Effelsberg 100 m radioteleskop den første operasjonsstasjonen. Den første fullt komplette stasjonen, ( CS302 ) på kanten av LOFAR -kjernen, ble levert i mai 2009, med totalt 40 nederlandske stasjoner planlagt ferdigstilt i 2013. I 2014, 38 stasjoner i Nederland, fem stasjoner i Tyskland ( Effelsberg, Tautenburg, Unterweilenbach, Bornim/Potsdam og Jülich), og en hver i Storbritannia (Chilbolton), i Frankrike (Nançay) og i Sverige (Onsala) var i drift.

LOFAR ble offisielt åpnet 12. juni 2010 av dronning Beatrix av Nederland. Regelmessige observasjoner startet i desember 2012.

Se også

Referanser

Eksterne linker