Телескопическая решетка Аллена - Allen Telescope Array

Телескопическая решетка Аллена
C GK - DSC 0421.jpg
Решетка телескопа Аллена (ATA-42), 11 октября 2007 г.
Альтернативные названия ATA Отредактируйте это в Викиданных
Названный в честь Пол Аллен Отредактируйте это в Викиданных
Часть Радиообсерватория Hat Creek Отредактируйте это в Викиданных
Местоположение (а) Калифорния
Координаты 40 ° 49′04 ″ N 121 ° 28′24 ″ з.д. / 40,8178 ° с.ш.121,4733 ° з.д. / 40,8178; -121,4733 Координаты: 40 ° 49′04 ″ N 121 ° 28′24 ″ з.д. / 40,8178 ° с.ш.121,4733 ° з.д. / 40,8178; -121,4733 Отредактируйте это в Викиданных
Организация Радиоастрономическая лаборатория
Институт SETI Отредактируйте это в Викиданных
Высота 986 м (3,235 футов) Отредактируйте это в Викиданных
Длина волны 60, 2,7 см (500, 11100 МГц)
Построено 2005–2007 гг. ( 2005–2007 ) Отредактируйте это в Викиданных
Стиль телескопа Григорианский телескоп
радиоинтерферометриче- Отредактируйте это в Викиданных
Количество телескопов 42 Отредактируйте это в Викиданных
Диаметр 6,1 м (20 футов 0 дюймов) Отредактируйте это в Викиданных
Вторичный диаметр 2,4 м (7 футов 10 дюймов) Отредактируйте это в Викиданных
Зона сбора 1227 м 2 (13210 квадратных футов)Отредактируйте это в Викиданных
Веб-сайт www .seti .org / ata Отредактируйте это в Викиданных
Allen Telescope Array находится в США.
Телескопическая решетка Аллена
Расположение решетки телескопов Аллена
Страница общих ресурсов Связанные СМИ на Викискладе?

Группа телескопов Аллена ( ATA ), ранее известная как телескоп на один гектар ( 1hT ), представляет собой массив радиотелескопов, предназначенный для астрономических наблюдений и одновременного поиска внеземного разума (SETI). Группа расположена в радиообсерватории Hat Creek в округе Шаста , в 290 милях (470 км) к северо-востоку от Сан-Франциско , Калифорния.

Первоначально проект разрабатывался совместными усилиями Института SETI и Радиоастрономической лаборатории (RAL) Калифорнийского университета в Беркли (Калифорнийский университет в Беркли) на средства, полученные от первоначального пожертвования Пола Г. Аллена в размере 11,5 миллионов долларов США. Семейный фонд . Первый этап строительства был завершен, и 11 октября 2007 года ATA, наконец, вступила в строй с 42 антеннами (ATA-42) после того, как Пол Аллен (соучредитель Microsoft ) пообещал дополнительно 13,5 миллиона долларов для поддержки строительства первой и вторые фазы.

Хотя в целом Аллен вложил в проект более 30 миллионов долларов, ему не удалось построить первоначально задуманные 350 6,1 м (20 футов) антенн, и проект потерпел перерыв в работе из-за нехватки финансирования в период с апреля по август 2011 года, после чего наблюдения возобновлены. Впоследствии Калифорнийский университет в Беркли вышел из проекта, завершив продажу активов в апреле 2012 года. В настоящее время предприятие управляется SRI International (ранее Стэнфордский исследовательский институт), независимым некоммерческим исследовательским институтом. По состоянию на 2016 год Институт SETI проводит наблюдения с помощью ATA с 18:00 до 6:00 ежедневно.

В августе 2014 года установке угрожал лесной пожар в этом районе, и она была на короткое время остановлена, но в конечном итоге осталась практически невредимой.

Обзор

Идея, впервые задуманная пионером SETI Фрэнком Дрейком , была мечтой Института SETI в течение многих лет. Однако исследования и разработки начались только в начале 2001 года, после пожертвования 11,5 миллионов долларов Семейным фондом Пола Г. Аллена . В марте 2004 г., после успешного завершения трехлетней фазы исследований и разработок, Институт SETI представил трехуровневый план строительства телескопа. Строительство началось немедленно, благодаря обещанию Пола Аллена (соучредителя Microsoft ) в размере 13,5 миллионов долларов на поддержку строительства первой и второй фаз. Институт SETI назвал телескоп в честь Аллена. В целом Пол Аллен вложил в проект более 30 миллионов долларов.

ATA - это антенная решетка сантиметрового диапазона, которая является пионером концепции создания радиотелескопов большого числа и малого диаметра . По сравнению с большой тарелочной антенной , большое количество тарелок меньшего размера дешевле для той же площади сбора. Чтобы получить одинаковую чувствительность, необходимо объединить сигналы от всех телескопов. Для этого требуется высокопроизводительная электроника, которая была непомерно дорогой. Из-за снижения стоимости электронных компонентов, необходимая электроника стала практически доступной, что привело к значительной экономии средств по сравнению с телескопами более традиционной конструкции. Это неофициально называется «заменой стали кремнием».

ATA обладает четырьмя основными техническими возможностями, которые делают его хорошо подходящим для ряда научных исследований: очень широкое поле зрения (2,45 ° при λ = 21 см, длина волны водородной линии ), полное мгновенное покрытие частот от 0,5 до 11,2.  гигагерц (ГГц), одновременная работа нескольких серверных модулей и активное подавление помех. Область неба, которую можно получить мгновенно, в 17 раз больше, чем можно получить с помощью телескопа с очень большой решеткой . Мгновенный охват частот более четырех октав является беспрецедентным в радиоастрономии и является результатом уникальной конструкции источника питания, входного усилителя и пути прохождения сигнала. Активное подавление помех позволит вести наблюдение даже на частотах многих наземных радиоизлучателей .

Обзоры всего неба являются важной частью научной программы, и ATA повысит эффективность благодаря своей способности проводить поиск внеземного разума (SETI) и другие радиоастрономические наблюдения одновременно. Телескоп может сделать это, разделив записанные сигналы в диспетчерской перед окончательной обработкой. Возможны одновременные наблюдения, потому что для SETI , куда бы ни был направлен телескоп, несколько звезд-мишеней будут находиться в большом поле зрения, обеспечиваемом 6-метровыми антеннами. По соглашению между Радиоастрономической лабораторией Калифорнийского университета в Беркли (RAL) и Институтом SETI , потребности традиционной радиоастрономии определяли направление антенны до 2012 года.

Планируется, что АТА будет включать 350 антенн диаметром 6 м и позволит проводить большие и глубокие радиоразведки, которые ранее были невозможны. Конструкция телескопа включает в себя множество новых функций, в том числе гидроформованные поверхности антенн, логопериодическое излучение, охватывающее весь диапазон частот от 500  мегагерц (МГц) до 11,2 ГГц, и малошумящие широкополосные усилители с равномерным откликом во всем диапазоне частот. диапазона, что позволяет напрямую усиливать небесный сигнал. Этот усиленный сигнал, содержащий всю принимаемую полосу пропускания, передается от каждой антенны в комнату обработки по оптоволоконным кабелям. Это означает, что по мере совершенствования электроники и получения более широкой полосы пропускания необходимо менять только центральный процессор, а не антенны или источники питания.

Инструмент эксплуатировался и поддерживался RAL до тех пор, пока разработка массива не была приостановлена ​​в 2011 году. RAL работала рука об руку с институтом SETI во время проектирования и создания прототипа и была основным разработчиком источника питания, поверхностей антенн, формирования луча , коррелятора и система формирования изображений для радиоастрономических наблюдений.

Группа экспертов Десятилетнего обзора астрономии и астрофизики в своем пятом отчете « Астрономия и астрофизика в новом тысячелетии» (2001 г.) одобрила SETI и признала АТА (в то время называемую телескопом площадью 1 гектар ) важной ступенькой на пути к созданию Телескоп с квадратной километровой решеткой (SKA). В последнем отчете Decadal рекомендовалось прекратить финансовую поддержку SKA США, несмотря на участие США в таких прекурсорах SKA, как MeerKAT , Hydrogen Epoch of Reionization Array и Murchison Widefield Array .

Хотя смета стоимости незавершенных проектов всегда сомнительна, а спецификации не идентичны (например, обычные телескопы имеют более низкую шумовую температуру , но ATA имеет большее поле зрения ), ATA потенциально может быть гораздо более дешевой технологией радиотелескопов. для данной эффективной апертуры. Например, сумма, потраченная на первую фазу ATA-42, включая разработку технологии, составляет примерно одну треть стоимости новой копии 34-метровой антенны Deep Space Network с аналогичной зоной сбора. Аналогичным образом, сметная общая стоимость строительства оставшихся 308 тарелок была оценена (по состоянию на октябрь 2007 г.) примерно в 41 миллион долларов. Это примерно в два раза дешевле, чем стоимость последней большой радиоастрономической антенны, построенной в США, телескопа Грин-Бэнк с аналогичной зоной сбора, составляет 85 миллионов долларов . Подрядчик подал заявление о перерасходе средств в размере 29 миллионов долларов, но из них было разрешено только 4 миллиона долларов.

ATA стремится стать одним из крупнейших и самых быстрых инструментов для наблюдений в мире и позволить астрономам одновременно искать множество разных звезд. Если он будет завершен в соответствии с первоначальной задумкой, это будет один из самых больших и мощных телескопов в мире.

История

С момента своего создания ATA был инструментом разработки технологии астрономических интерферометров (в частности, для массива квадратных километров ).

Первоначально планировалось, что ATA будет построен в четыре этапа: ATA-42, ATA-98, ATA-206 и ATA-350, каждое число представляет количество тарелок в массиве в данный момент времени. (См. Таблицу 1). Планируется, что в АТА будет 350 тарелок диаметром 6 м каждая.

Регулярные операции с 42 тарелками начались 11 октября 2007 года. В настоящее время Институт SETI изыскивает финансирование для строительства дополнительных антенн из различных источников, включая ВМС США , Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны (DARPA), Национальный научный фонд (NSF) и частные доноры.

Одновременные астрономические наблюдения и наблюдения SETI выполняются с помощью двух корреляторов изображения с двойной поляризацией на 32 входа . Было опубликовано множество статей, посвященных традиционным радиоастрономическим наблюдениям.

Три формирователя луча с фазированной антенной решеткой, использующие Berkeley Emulation Engine 2 (BEE2), были развернуты в июне 2007 года и были интегрированы в систему, чтобы обеспечить одновременные астрономические наблюдения и наблюдения SETI. По состоянию на апрель 2008 г. первые наблюдения пульсаров проводились с использованием формирователя луча и специального пульсарного спектрометра .

Рабочая система поиска SETI (SETI на ATA или SonATA) выполняет полностью автоматизированные наблюдения SETI. SonATA отслеживает обнаруженные сигналы в режиме реального времени и продолжает отслеживать их до тех пор, пока 1) не будет показано, что сигнал был сгенерирован на Земле или, в редких случаях, 2) установлен источник, который запускает отслеживание на следующий день. По состоянию на 2016 год с помощью ATA было отслежено и классифицировано более двухсот миллионов сигналов. Ни один из этих сигналов не имел всех характеристик, ожидаемых от сигнала ETI. Результаты наблюдений Института SETI опубликованы в ряде статей.

В апреле 2011 года ATA был переведен в спящий режим из-за нехватки финансирования, что означает, что он больше не был доступен для использования. Работа АТА возобновилась 5 декабря 2011 года. Сейчас усилия возглавляет Эндрю Симион .

Положение дел

В 2012 году ATA был профинансирован благотворительным пожертвованием в размере 3,6 миллиона долларов Франклина Антонио, соучредителя и главного научного сотрудника Qualcomm Incorporated . Этот подарок поддерживает модернизацию всех приемников на тарелках ATA, чтобы они имели значительно большую чувствительность (2–10 × от 1–8 ГГц), чем раньше, и поддерживали чувствительные наблюдения в более широком диапазоне частот, от 1–15 ГГц, когда изначально радио Частота электроники ушла всего на 11 ГГц. К июлю 2016 года были установлены и испытаны первые десять таких приемников. Полная установка на все 42 антенны запланирована на июнь 2017 года.

В ноябре 2015 года ATA изучила аномальную звезду KIC 8462852 , а осенью 2017 года телескоп Аллена исследовал межзвездный астероид Оумуамуа на наличие признаков технологии, но не обнаружил необычных радиоизлучений.

Ключевые научные цели

Научные цели, перечисленные ниже, представляют собой наиболее важные проекты, которые будут реализованы с ATA. Каждая из этих целей связана с одним из четырех этапов развития, упомянутых ранее. (См. Таблицу 1). Также перечислены некоторые научные данные, которые, как ожидается, будут созданы каждым из них.

Таблица 1: Производительность массива и ключевые научные проекты
Множество Положение дел Размер луча (arcsec) S rms (мЯн) Скорость (град²с −1 ) Ключевая наука
АТА-42 Строительство посуды завершено; в процессе ввода в эксплуатацию с 32 входами, коррелятором с двойной поляризацией (всего 64 входа) 245 х 118 0,54 0,02 FiGSS: обзор континуума на частоте 5 ГГц, молекулярная спектроскопия в плоскости Галактики, обзор центра галактики SETI
ATA-98 В ожидании результатов ATA-42 для финансирования 120 х 80 0,2 0,11 ATHIXS † Trial Surveys, HI Stellar Outflows Survey, SETI Target Survey: 100 звезд
ATA-206 Этап разработки не завершен 75 х 65 0,11 0,44 ATHIXS, карта намагниченного галактического ISM, синхронизирующая матрица пульсаров, исследования глубокого континуума и переходных процессов, целевые исследования SETI
АТА-350 Этап разработки не завершен 77 х 66 0,065 1,40 ATHIXS, Карта намагниченной галактической ISM, Обследования с временным массивом пульсаров в глубоком континууме и переходных процессах, Целевые обследования SETI
Примечание: размер луча и непрерывная чувствительность ( среднеквадратичное значение S оценивается для 6-минутного непрерывного снимка с частотой 100 МГц при прохождении источника при склонении 40 ° на длине волны 21 см. Скорость дана для съемки при наблюдениях на 21 см с полоса пропускания 100 МГц, которая достигает 1 мЯн (среднеквадратичное значение) .

† ATHIXS - это внегалактический HI-обзор всего неба на глубине всего неба.

Оппортунистическая наука

С момента начала строительства массива было предложено несколько научных целей, специально не поставленных для него.

Например, Allen Telescope Array предложила предоставить нисходящую линию для передачи данных о лунных прогнозах всем участникам конкурса Google Lunar X Prize . Это практично, поскольку массив без модификаций покрывает основные диапазоны космической связи (S-диапазон и X-диапазон). Телеметрии декодер был бы единственным дополнением необходимости.

Кроме того , ATA был упомянут в качестве кандидата на поиски нового типа радио преходящего . Это отличный выбор благодаря большому полю обзора и широкой мгновенной полосе пропускания. Следуя этому предложению, Эндрю Симион и международная группа астрономов и инженеров разработали инструмент под названием «Fly's Eye», который позволил ATA искать яркие радиотранзиенты, и наблюдения проводились в период с февраля по апрель 2008 года.

Инструменты

Смещение григорианского дизайна ATA

Конфигурация ATA-42 обеспечит максимальную базовую линию 300 м (и в конечном итоге для ATA-350 900 м). Охлаждаемый логопериодический источник на каждой антенне предназначен для обеспечения температуры системы ~ 45K в диапазоне 1–10 ГГц с пониженной чувствительностью в диапазонах 0,5–1,0 ГГц и 10–11,2 ГГц. Доступны четыре отдельные настройки частоты (ПЧ) для получения 4 полос промежуточных частот по 100 МГц. Две ПЧ поддерживают корреляторы для визуализации; два будут поддерживать наблюдение SETI . Все настройки могут формировать четыре луча с фазированной решеткой с двойной поляризацией, которые могут быть независимо направлены в пределах первичного луча и могут использоваться с различными детекторами. Таким образом, ATA может синтезировать до 32 лучей с фазированной решеткой.

Широкое поле зрения ATA дает ему беспрецедентные возможности для больших съемок (рис. 4). Время, необходимое для сопоставления большой площади с заданной чувствительностью, пропорционально ( ND ) 2 , где N - количество элементов, а D - диаметр тарелки. Это приводит к удивительному результату, заключающемуся в том, что большой массив маленьких тарелок может превзойти массив с меньшим числом элементов, но значительно большей площадью сбора при выполнении больших съемок. Как следствие, даже ATA-42 может конкурировать с гораздо более крупными телескопами по своим возможностям как для съемки яркостной температуры, так и для съемки точечных источников . Для съемки точечных источников ATA-42 сравним по скорости с Arecibo и Green Bank Telescope (GBT), но в три раза медленнее, чем Very Large Array (VLA). С другой стороны, ATA-350 будет на порядок быстрее, чем Very Large Array для съемки точечных источников, и сравним с Expanded Very Large Array (EVLA) по скорости съемки. Для съемки с заданной яркостной температурной чувствительностью ATA-98 превысит скорость съемки даже в конфигурации VLA-D. ATA-206 должен соответствовать яркостной температурной чувствительности Arecibo и GBT. Однако ATA обеспечивает лучшее разрешение, чем любой из этих телескопов с одной тарелкой.

Антенны для ATA представляют собой гидроформованные офсетные григорианские телескопы 6,1 x 7,0 метра (20,0 футов x 23,0 футов) , каждая с вспомогательным отражателем 2,4 метра с соотношением эффективное фокусное расстояние / диаметр (f / D) 0,65. (См. DeBoer, 2001). Смещенная геометрия устраняет засорение, что увеличивает эффективность и уменьшает боковые лепестки . Это также позволяет использовать большой вспомогательный отражатель, обеспечивающий хорошие низкочастотные характеристики. Технология гидроформинга, используемая для изготовления этих поверхностей, такая же, как и в компании Andersen Manufacturing из Айдахо-Фоллс, штат Айдахо, для создания недорогих спутниковых отражателей. Уникальное компактное крепление на внутренней раме с опорой на обод обеспечивает отличную производительность при невысокой стоимости. В системе привода используется подпружиненный пассивный азимутальный привод с защитой от люфта. Большинство компонентов разработано Мэтью Флемингом и изготовлено на предприятии Minex Engineering Corp. в Антиохии, Калифорния .

Управление данными

Как и в случае с другими массивами , огромный объем поступающей сенсорной информации требует возможности обработки массива в реальном времени , чтобы уменьшить объем данных для хранения. Для ATA-256 средняя скорость передачи данных и общий объем данных для коррелятора оцениваются в 100 Мбайт / с и 15 Пбайт за пятилетний период исследования. Такие эксперименты, как переходные опросы, значительно превышают этот показатель. Эти формирователей диаграммы направленности получения данных на значительно более высокой скорости (8 гигабайт в секунду (Гбит / с)) , но только очень небольшая часть этих данных в архив. В 2009 году аппаратное и программное обеспечение для обнаружения сигналов было названо Prelude и состояло из монтируемых в стойку ПК, дополненных двумя настраиваемыми ускорительными картами, основанными на микросхемах цифровой обработки сигналов (DSP) и программируемой логической матрице (FPGA). Каждый программируемый модуль обнаружения (один из 28 ПК) может анализировать 2 МГц входных данных с двойной поляризацией для создания спектров со спектральным разрешением 0,7 Гц и временными отсчетами 1,4 секунды.

В 2009 году у массива было подключение к Интернету со скоростью 40 Мбит / с , достаточное для удаленного доступа и передачи продуктов данных для ATA-256. Было запланировано обновление до 40 Гбит / с , что позволит напрямую распределять необработанные данные для внешних вычислений.

Вычислительная сложность и требования

Как и другие системы массивов, ATA имеет вычислительную сложность и кросс-коммутацию, которая масштабируется как O (N 2 ) с количеством антенн . Требование к вычислениям, например, для корреляции полной полосы пропускания ATA ( = 11 ГГц) для предлагаемой конструкции антенны с двойной поляризацией = 350, с использованием эффективной архитектуры умножения частоты (FX) и небольшой ширины канала 500 кГц (с количество каналов = 2200), определяется по формуле:

= 44 Пета- ОП в секунду

где это операция . Обратите внимание, что, поскольку каждая тарелка имеет антенну с двойной поляризацией, каждая выборка сигнала фактически представляет собой набор из двух данных .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки