Square Kilometre Array

Schema der zentralen Region des SKA

Square Kilometre Array Observatory (SKA bzw. SKAO) ist ein internationales Projekt zum Design, Bau und Betrieb von Radioteleskopen mit großer, weit verteilter Sammelfläche. Die namengebende Vision, bis zur formellen Gründung am 15. Januar 2021 SKA genannt, ging von einem Quadratkilometer aus.^[1] Die ersten beiden Teleskope, für verschiedene Frequenzbereiche, werden in Südafrika und Westaustralien errichtet, mit 197 Einzelspiegeln von 15 m Durchmesser bzw. 131.072 zwei Meter hohen Breitbandantennen.^[2] Der Ausbau begann im Jahr 2021. Die Fertigstellung ist im Jahr 2029 vorgesehen.^[3]

Durch Kombination der Antennensignale mit unterschiedlichem Zeitversatz wird es möglich sein, gleichzeitig einen großen Himmelsausschnitt mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit zu beobachten. Dazu werden Hochleistungsrechner und Langstrecken-Netzwerke mit einer Kapazität benötigt, die den heutigen weltweiten Internetverkehr übertrifft.^[4]

Vertreter von sieben Staaten – Südafrika, Australien, China, Italien, Niederlande, Portugal und das Vereinigte Königreich – unterzeichneten im März 2019 die Übereinkunft, die bis Ende 2020 von sechs Staaten ratifiziert wurde. China, Deutschland, Frankreich, Indien, Kanada, Schweden, die Schweiz und Spanien, die in der Vorgängerorganisation SKA an der Entwicklung beteiligt waren, sollen folgen.^[5]

Beschreibung

(c) Photograph by Mike Peel (www.mikepeel.net)., CC BY-SA 4.0

Das Hauptquartier des SKA-Projekts am Jodrell-Bank-Observatorium im Vereinigten Königreich^[6]

Die Planung sieht vor, dass das SKA Signale kombiniert, die von tausenden kleinen Radioantennen empfangen wurden. Durch deren große räumliche Distanz von bis zu 3000 km wäre es möglich, damit ein riesiges Radioteleskop mit einer extrem hohen Empfindlichkeit und Winkelauflösung zu simulieren. Das SKA soll ebenfalls ein sehr großes Sichtfeld (FOV, englisch field of view) von 200 Quadratgrad bei Frequenzen unter 1 GHz und mehr als 1 Quadratgrad (ungefähr fünf Mondscheiben) bei höheren Frequenzen abdecken. Eine geplante Neuerung ist die gleichzeitige Verwendung von mehreren Sichtfeldern durch Phased-Array-Antennen. Damit soll die Geschwindigkeit bei Musterungen entscheidend verbessert und es verschiedenen Benutzern ermöglicht werden, gleichzeitig verschiedene Teile des Himmels zu beobachten.

In den ersten beiden Bauphasen soll eine kontinuierliche Abdeckung von 70 MHz bis 10 GHz gewährleistet werden. In einer dritten Phase ist eine Ausweitung auf 30 GHz geplant.

1. Phase 1: ≈20 % der totalen Auffangfläche bei niedrigen und mittleren Frequenzen.
2. Phase 2: Volle Arraygröße für niedrige und mittlere Frequenzen.
3. Phase 3: Aufbau des Arrays für hohe Frequenzen.

Mit einem einzigen Antennendesign kann nicht der gesamte Frequenzbereich von 70 MHz bis 10 GHz (mehr als zwei Dekaden) sinnvoll empfangen werden. Deshalb soll das SKA über drei Typen von Antennenelementen verfügen, SKA-low, SKA-mid und Parabolantennen.

Illustration der SKA-low Arrays (auch Sparse Aperture Arrays genannt)

Illustration einer Station des SKA-mid Array

Illustration der Offset-Gregory-Parabolantennen (auch Dish Arrays genannt)

Illustration der Offset-Gregory-Parabolantennen (auch Dish Arrays genannt)

1. SKA-low Array (Phasen 1 und 2): Ein Array von phasengesteuerten, einfachen Dipolantennen für den Frequenzbereich von 70 MHz bis 200 MHz. Diese Antennen sollen in Gruppen zu 90 auf einer Fläche mit einem Durchmesser von 100 m aufgestellt werden.
2. SKA-mid Array (Phase 2): Dieses Array soll aus phasengesteuerten Antennen bestehen, welche eine Abdeckung der Frequenzen von 200 MHz bis 500 MHz ermöglichen. Die Antennen mit Abmessungen von 3 m × 3 m sollen in kreisförmigen Gruppen mit einem Durchmesser von 60 m aufgestellt werden.
3. Dish Array (Phasen 1 und 2): Mehrere tausend Parabolantennen für die Frequenzen von 500 MHz bis 10 GHz. Geplant ist ein Antennendesign wie beim Allen Telescope Array mit einem Offset-Gregory-Design mit einer Höhe von 15 m und einer Breite von 12 m. Die Parabolantennen sollen, wenn möglich, mit Fokalebenenarrays in ihrem Fokus ausgestattet sein. Dieser Aufbau würde den Parabolantennen ein weit größeres Sichtfeld verleihen, als dies mit einem einzelnen Empfänger möglich wäre. Prototypen dieser Fokalebenenarrays stehen im Moment in der Entwicklung.

Das SKA soll in drei Regionen unterteilt werden:

1. Eine zentrale Region mit Ansammlungen von Parabolantennen und SKA-mid-Stationen in den inneren 2,5 km und SKA-low Antennen hinaus bis 5 km. Diese zentrale Region soll ungefähr die Hälfte der gesamten Empfangsfläche von 1 km² enthalten.
2. Eine mittlere Region bis 180 km. Parabolantennen und Paare von SKA-mid- und SKA-low-Stationen werden in dieser Region angesiedelt. Alle Antennen sollen zufällig verteilt werden, mit einer nach außen hin abfallenden Dichte von Antennen.
3. Eine äußere Region von 180 km bis 3000 km. Fünf Spiralarme mit Gruppen von 20 Parabolantennen sind in ihr enthalten. Der Abstand zwischen den Stationen wird mit zunehmender Entfernung immer größer.

Wissenschaftliche Ziele des SKAO

Ende der 1980er Jahre^[7] war die Motivation für die 100fach größere Sammelfläche, H-I-Gebiete bis in kosmologisch relevante Entfernungen, z = 2 statt bisher 0,2, untersuchen zu können. Im September 1993 gründete die International Union of Radio Science die Large Telescope Working Group. Erstmals fassten 1999 Taylor und Braun zusammen, zu welchen astronomischen und kosmologischen Ergebnissen das SKA führen könnte.^[8] Im August 2000 unterzeichneten elf Staaten ein Memorandum zur Gründung des International SKA Steering Committee (ISSAC). Ergebnisse waren ein breit angelegtes Science Book und eine kürzere Liste von werbewirksamen Schlüsselprojekten, Key Science Projects:^[9]

KSP I. Wiege des Lebens

In galaktischen Sternentstehungsgebieten sollen Protoplanetare Scheiben abgebildet und darin die Entwicklung erdähnlicher Planeten live verfolgt werden. Astrobiologisch relevante Moleküle können in Molekülwolken und Planetenatmosphären nachgewiesen und außerirdische Zivilisationen abgehört werden.

KSP II. Hochfeld-Tests der allgemeinen Relativitätstheorie

Zehntausende Pulsare werden neu entdeckt. Deren Taktsignale dienen als kosmisches Positionssystem, gegen das der Durchgang von Gravitationswellen beobachtbar sein sollte. Einige Pulsare könnten auch in engen Binärsystemen mit Schwarzen Löchern gefunden werden, in stärker gekrümmter Raumzeit als in bisher entdeckten Systemen.

KSP III. Ursprung und Entwicklung der kosmischen Magnetfelder

Hundert Millionen Quellen polarisierter Radiowellen, typischer Abstand am Himmel eine Bogenminute, lassen sich auf die Frequenzabhängigkeit der Faraday-Rotation hin untersuchen. Das sollte helfen, die Fragen über den Ursprung und die Entwicklung interstellarer und intergalaktischer Magnetfelder zu klären.

KSP IV. Galaxienentstehung und Kosmologie

Die Intensität der HI-Linie in Absorption wird mit hoher Winkelauflösung und bis zu einer Rotverschiebung von z = 1,5 neutralen Wasserstoff in Galaxien abbilden. Die großräumige Struktur dieser Galaxien ermöglicht Rückschlüsse auf die Zustandsgleichung der Dunklen Energie. Darüber hinaus lassen schwache Gravitationslinseneffekte auf die Verteilung Dunkler Materie schließen.

KSP V. Reionisierungsepoche – die ersten leuchtenden Objekte und supermassiven Schwarzen Löcher

Zur Zeit der Reionisierung zeigt sich die HI-Linie in Emission, rotverschoben in den Bereich 50 bis 100 MHz. Das australische SKAO-Teleskop wird helfen, die frühe Strukturbildung und die Art der ersten leuchtenden Objekte aufzuklären. Molekülspektroskopie erlaubt die Untersuchung der Sternentstehung in frühen Galaxien, während die ersten supermassiven Schwarzen Löcher sich im Radiokontinuum zeigen werden.

Die Fokussierung auf Schlüsselprojekte brachte die Spezifikation der Designparameter voran.

Standorte

Automatischer Breitband-Scanner für die Registrierung terrestrischer Störungen am Standort Südafrika

Mögliche Standorte für das SKA mussten sich in unbewohnten Gebieten mit sehr geringem anthropogenem Radiowellen-Hintergrund befinden. Nach umfangreichen Tests u. a. mit nebenstehend abgebildeten Funkscannern blieben noch zwei Standorte zu Auswahl:

• Australien/Neuseeland: Das Zentrum befindet sich bei Boolardy (Lage-26.983337116.533348) in Westaustralien 315 km nordöstlich von Geraldton^[10] auf einer wüstenähnlichen Ebene auf einer Höhe von 460 m. Dieses Gebiet liegt in der Mid-West Radio Quiet Zone, die schon für das Murchison Widefield Array (MWA) eingerichtet wurde. Die am weitesten entfernten Stationen werden auf Neuseeland aufgebaut.^[11][12]
• Südafrika: Das Zentrum befindet sich auf einer Höhe von 1000 m in der Gegend Karoo (Lage-30.7211321.41113), in der trockenen Provinz Northern Cape, ungefähr 75 km nordwestlich von Carnarvon, mit weit entfernten Stationen in Ghana, Kenia, Madagaskar und Mauritius.

Kompromisslösung: Nach einem langen Wettkampf zwischen den beiden Standorten fiel die Entscheidung am 25. Mai 2012 auf eine Kompromisslösung: Der überwiegende Teil der Parabolantennen, Antennen für die Phasen 1 und 2 sowie der SKA-mid Array für Phase 2 wird in Südafrika gebaut, ein Teil der Parabolspiegel für Phase 1 sowie der SKA-low Array für die Phasen 1 und 2 in Australien und Neuseeland.^[13]

Pathfinder Arrays und Entwicklung der Technologie

Viele Gruppen von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt arbeiten daran, die benötigte Technologie und die Verfahren zu entwickeln, welche vom SKA verwendet werden sollen. Dazu entstehen bzw. entstanden Antennen-Arrays, die nicht Teil des SKA werden sollen. Einige sind im Folgenden aufgeführt. Dem bereits 1995/96 errichteten Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) des indischen National Centre for Radio Astrophysics (NCRA) des TIFR wurde Anfang 2015 der Pathfinder-Status zuerkannt.^[14]

MeerKAT

MeerKAT ist ein Projekt für 860 Millionen Rand, das mit einem Array von 50 oder mehr Parabolantennen mit 12 m Durchmesser Grundlagen für die Technologie des SKA erprobt. KAT-7, eine Testumgebung aus sieben Schüsseln in der Nähe von Carnarvon in der Provinz Northern Cape in Südafrika, sollte 2012 volle Funktionsfähigkeit erlangen. Die Parabolantennen wurden mit einzelnen Breitbandempfängern für Frequenzen von 800 MHz bis 8 GHz ausgestattet.^[15] Im Juli 2016 wurden bei einer ersten Testaufnahme mit 16 der geplanten 64 Parabolantennen etwa 1200 neue Galaxien entdeckt.^[16]

Ende 2020 war es das beste Radioteleskop seiner Art und entdeckte im Rahmen des Forschungsprogrammes MeerKAT International Gigahertz Tiered Extragalactic Exploration Survey (MIGHTEE) gleich zwei bisher unbekannte Riesen-Radiogalaxien (GRG von giant radio galaxie). Riesen-Radiogalaxien haben in ihren Armen (lobes) sehr geringe Radio-Strahlungsdichten und nur deren Zentren sind auch optisch beobachtbar. Diffuse Radioquellen geringer Strahlungsdichte sind mit dem Instrument MeerKAT nun besser auffindbar. Es wird daher vermutet, dass es mehr GRG gibt als bisher angenommen.^[17]

Australischer SKA Pathfinder

Der Australische SKA Pathfinder, kurz ASKAP, war ein 100-Millionen-AU$-Projekt mit dem Ziel, bis 2012 am australischen Standort für das SKA ein Array aus 36 Antennen aufzubauen, um Technologie für das SKA zu entwickeln. Die Parabolantennen haben 12 m Durchmesser und 188 Empfänger in der Bildebene für ein 30 Quadratgrad großes Gesichtsfeld. Die Frequenzabdeckung erstreckt sich auf 700 MHz bis 1,8 GHz. Im Oktober 2016 wurde der wissenschaftliche Betrieb mit zunächst zwölf Antennen aufgenommen. Im Frühjahr 2019 wurden erstmals alle 36 Antennen gemeinsam betrieben.^[18]

Am 24. September 2018 registrierte ASKAP einen Fast Radio Burst, der anhand der automatisch ausgelösten Rohdatenaufzeichnung mit VLBI-Methoden auf 0,04 Bogensekunden lokalisiert und einer Galaxie zugeordnet werden konnte.^[19][20]

LOFAR

LOFAR ist ein 120 Millionen Euro teures europäisches Projekt, geplant und gebaut vom Institut ASTRON in den Niederlanden, das ein neuartiges Array von Antennenstationen für niedrige Frequenzen mit phasengesteuerter Öffnung, verteilt über ganz Nordeuropa, aufbaut und seit 2011 nutzt. Empfangsdaten bei niedrigen Frequenzen von 10 MHz bis 240 MHz werden direkt zu einem zentralen Rechner geleitet, wo Überlagerung und Auswertung vorgenommen werden. LOFAR entwickelt zurzeit grundlegende Verarbeitungstechniken, die für das SKA von entscheidender Bedeutung sind.^[21] Der Erweiterung NenuFAR der französischen LOFAR-Station FR606 beim Nançay-Radioteleskop wurde im August 2014 Pathfinder-Status zuerkannt.^[22]

Allen Teleskop Array

Das Allen Teleskop Array (ATA) besteht aus innovativen Offset-Gregory-Parabolantennen mit einem Durchmesser von 6,1 m, ausgestattet mit Breitbandempfängern für 500 MHz bis 11 GHz. Zurzeit sind 42 Elemente zu einem funktionsfähigen Array zusammengeschaltet (Stand 2010), mit einer geplanten Erweiterung auf 350 Antennenelementen. Für das Design der Parabolantennen wurden spezielle günstige Herstellungsmethoden ausprobiert.

Square Kilometre Array Design Study

Die Square Kilometre Array Design Study, kurz SKADS, ist ein europäisches Projekt im Umfang von 38 Millionen Euro, welches eine ganze Bandbreite von Technologien und wissenschaftlichen Studien im Umfeld des SKA entwickelt. Der Fokus der technischen Entwicklungen liegt bei Hochfrequenz-Phasenarrays für 300 MHz bis 1 GHz. Ein solches vollelektronisches Teleskop liefert eine große Zahl gleichzeitiger Beams für höchste Geschwindigkeiten bei Himmelsdurchmusterungen.^[23]

Technology Development Project

Das Technology Development Project, abgekürzt TDP, war ein 12-Millionen-Dollar-Programm der USA, um gezielt für das SKA Technologien für Parabolschüsseln und deren Einbindung zu entwickeln. Es wurde von einem Konsortium von Universitäten unter der Leitung der Cornell University betrieben und sollte 2012 abgeschlossen werden.

MWA

Das Murchison Widefield Array ist ähnlich dem LOFAR ein Radioteleskop für den Frequenzbereich bis 300 MHz mit synthetischer Apertur. Für die Entwicklung des SKA werden dafür relevante Technologien entwickelt:

• Laufzeit gesteuerte Strahlformung mit Antennenmatrizen aus kostengünstigen Dipolantennen
• Datensammlung und Synchronisation von einer Vielzahl von Antennengruppen
• FX-Technologie der Empfänger- und Digitalisiererkomponenten.

Das MWA befindet sich an einem der möglichen Standorte für das SKA in Australien.

Zeitplan und Finanzierung

Das SKA wurde ursprünglich in den frühen 1990er Jahren von einer internationalen Gruppe ersonnen, welche 1994 gebildet wurde. 2000 wurde das erste „Memorandum of Agreement“ unterzeichnet. Beachtliche Energie wurde in der Folge in Vorbereitungsarbeiten gesteckt. 2008 war das volle Design für 2012 geplant, mit einem Budget von 1,5 Milliarden Euro. Der ASTRONET-Fahrplan für europäische Astronomie empfahl jedoch das E-ELT mit höherer Dringlichkeit. Die Konstruktionspläne sollten daraufhin bis 2018 erstellt werden.^[24] Erste Beobachtungen sind planmäßig im Jahr 2020 möglich. Dabei wird es sich jedoch lediglich um den Einsatz von einem Teil des gesamten Array handeln, da dieses voraussichtlich bis dahin nicht fertiggestellt wird.^[25]

Mitgliedsstaaten

Karte der Mitgliedsstaaten

Das SKA wird von fünfzehn Staaten finanziert.^[26] Die Mitglieder und Partner sind zurzeit (Stand 2020) Australien, Deutschland, Frankreich, Indien,^[27] Italien, Kanada, Neuseeland, die Niederlande, Portugal, Schweden, Schweiz, Spanien, Südafrika, das Vereinigte Königreich und die Volksrepublik China. Deutschland erklärte im Juni 2014 den Austritt zum Ende Juni 2015;^[28][29] dafür trat die Max-Planck-Gesellschaft im Jahr 2019 bei.^[30] Gründungsmitglieder der im Dezember 2011 gegründeten „SKA Organisation“ waren Australien, Deutschland, Frankreich, Italien, Neuseeland, die Niederlande, Südafrika, das Vereinigte Königreich und die Volksrepublik China.^[31]

Siehe auch

• Interferometer (Radioastronomie)
• Liste der Radioteleskope
• LOFAR (das Low Frequency Array)

Weblinks

Commons: Square Kilometre Array – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• SKA Scholarpedia (englisch)
• SKA Webseite (englisch)

Australien

• SKA Australien Website
• „Australia may host Square Kilometre Array“, Cosmos Magazin, September 2006
• Newsletter. (PDF 1,99 MB) Australian SKA Planning Office, 10. April 2007, archiviert vom Original am 13. Juni 2007; abgerufen am 1. Mai 2018 (englisch). 
• Boolardy Station und das Murchison Radio-Astronomische Observatorium (MRO) – University of Western Australia

Europa

• SKA Design Studies Website

Südafrika

• SKA Südafrika Website

Einzelnachweise

1. ↑ Daniel Clery: Giant radio telescope reaches milestone en route to construction start. Science, 4. Februar 2021, doi:10.1126/science.abg9245.
2. ↑ MPIfR: The Square Kilometre Array Observatory (SKAO) is Born. Mitteilung am 4. Februar 2021.
3. ↑ heise online: 130.000 Antennen: Baubeginn für weltgrößtes Radioteleskop. Abgerufen am 31. Dezember 2021. 
4. ↑ Signal Transport and Networks. Square Kilometre Array, 2018, abgerufen am 5. Dezember 2018 (englisch). 
5. ↑ SKAO: SKAO is born – Launch of international Observatory signals new era for radio astronomy. Pressemitteilung, 4. Februar 2021.
6. ↑ Jodrell Bank chosen as base for largest radio telescope. In: BBC News. 2. April 2011 (englisch, Online [abgerufen am 31. Dezember 2021]). 
7. ↑ Ronald David „Ron“ Ekers: The History of the Square Kilometre Array (SKA) Born Global. Proceedings of Science, 2012, arXiv:1212.3497.
8. ↑ Andrew Russell Taylor und Robert Braun (Hrsg.): Science with the Square Kilometer Array: a next generation world radio observatory. (Memento vom 30. Juni 2007 im Internet Archive) 1999, z. T. basierend auf Beiträgen zur gleichnamigen Konferenz an der Universität Calgary im Juni 1998.
9. ↑ Christopher L. Carilli und Steven Gregory „Steve“ Rawlings: Science with the Square Kilometer Array: Motivation, Key Science Projects, Standards and Assumptions. 2004, arXiv:astro-ph/0409274.
10. ↑ Aiming for the skies. The Age, 7. April 2008, abgerufen am 15. Februar 2011 (englisch). 
11. ↑ Amos, J. Nations vie for giant telescope, BBC News, 28. September 2006.
12. ↑ Science Network WA, 16 February 2007
13. ↑ Claus Stäcker: Südafrika und Australien bauen weltgrößtes Teleskop. In: Tagesschau.de. Norddeutscher Rundfunk, 25. Mai 2012, archiviert vom Original am 25. September 2012; abgerufen am 5. Dezember 2018 (englisch). 
14. ↑ skatelescope.org: India’s GMRT telescope granted SKA pathfinder status. News, Februar 2015.
15. ↑ Südafrika SKA Website.
16. ↑ Südafrikanisches Radioteleskop MeerKAT angeschaltet: 1200 Galaxien entdeckt. In: heise online. Heise Medien, 18. Juli 2016, abgerufen am 18. Juli 2016. 
17. ↑ J. Delhaize, I. Heywood, M. Prescott et al.: MIGHTEE: Are giant radio galaxies more common than we thought?, Preprint bei researchgate, Dezember 2020, abgerufen am 5. Feb. 2021
18. ↑ ASKAP Website
19. ↑ Tiefen des Weltalls: Forscher bestimmen Ursprung von rätselhaftem Radioblitz. In: Spiegel Online. 27. Juni 2019 (Online [abgerufen am 27. Juni 2019]). 
20. ↑ C. D. Wilson, M. A. Voronkov, T. W. Shimwell, D. N. Roxby, J. Reynolds: A single fast radio burst localized to a massive galaxy at cosmological distance. In: Science. 27. Juni 2019, doi:10.1126/science.aaw5903 (englisch). 
21. ↑ LOFAR website
22. ↑ skatelescope.org: French NenuFAR telescope granted SKA Pathfinder status. Latest News, August 2014.
23. ↑ SKADS (Memento vom 30. Dezember 2011 im Internet Archive) website
24. ↑ William Garnier: Start of the 2016 SKA Engineering Meeting in South Africa. Square Kilometre Array, 2016, archiviert vom Original am 3. Oktober 2016; abgerufen am 5. Dezember 2018 (englisch). 
25. ↑ The SKA Project. Square Kilometre Array, 2018, abgerufen am 5. Dezember 2018 (englisch). 
26. ↑ Participating Countries. Square Kilometre Array, 2018, abgerufen am 5. Dezember 2018 (englisch). 
27. ↑ skatelescope.org: India’s National Centre for Radio Astrophysics becomes the 11th full SKA Organisation member. Latest News, 11. August 2014.
28. ↑ Germany announces its intent to leave the SKA Organisation, www.skatelescope.org – Latest News, 5. Juni 2014 (englisch)
29. ↑ Christoph Seidler: Square Kilometre Array: Deutschland steigt bei Mega-Teleskop aus. In: Spiegel Online, 11. Juni 2014, abgerufen am 29. Juli 2017.
30. ↑ Beitritt zum Square Kilometre Array. Abgerufen am 20. Juli 2020. 
31. ↑ Founding Board of the SKA, www.skatelescope.org – SKA Project – The History of the SKA Project, 2014 (englisch)