Телескопическая решетка Аллена

Чтобы узнать о других значениях, см. ATA .

Телескопическая решетка Аллена

Телескопическая решетка Аллена (ATA-42), 11 октября 2007 г.
Альтернативные названия	МИНУТЫ
Назван в честь	Пол Аллен
Часть	Радиообсерватория Хэт-Крик
Местоположение(а)	Калифорния , регион Тихоокеанских штатов
Координаты	40 ° 49'04 "N 121 ° 28'24" W
Организация	Радиоастрономическая лаборатория Институт SETI
Высота	986 м (3235 футов)
Длина волны	60, 2,7 см (500, 11100 МГц)
Стиль телескопа	Григорианский телескоп радиоинтерферометр
Количество телескопов	42
Диаметр	6,1 м (20 футов 0 дюймов)
Вторичный диаметр	2,4 м (7 футов 10 дюймов)
Зона сбора	1227 м 2 (13 210 кв. футов)
Веб-сайт	www .seti .org /ата
Расположение массива телескопов Аллена
Соответствующие СМИ на сайте Commons

Телескопическая решетка Аллена ( ATA ), ранее известная как Телескоп одного гектара ( 1hT ), представляет собой радиотелескопов, группу предназначенную для астрономических наблюдений и одновременного поиска внеземного разума (SETI). Массив расположен в радиообсерватории Хэт-Крик в округе Шаста , в 290 милях (470 км) к северо-востоку от Сан-Франциско , Калифорния.

Первоначально проект был разработан как совместная работа Института SETI и Радиоастрономической лаборатории (RAL) Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) на средства, полученные в результате первоначального долларов США. в размере 12,5 миллионов пожертвования Пола Г. Аллена Семейный фонд и Натан Мирвольд . Первый этап строительства был завершен, и 11 октября 2007 года ATA наконец вступил в эксплуатацию с 42 антеннами (ATA-42) после того, как Пол Аллен (соучредитель Microsoft ) пообещал выделить дополнительные 13,5 миллионов долларов на поддержку строительства первого и вторые фазы.

Хотя в целом компания Allen вложила в проект более 30 миллионов долларов, ей так и не удалось построить 350 первоначально задуманных тарелок диаметром 6,1 м (20 футов). а в период с апреля по август 2011 года проект был приостановлен из-за нехватки финансирования, после чего наблюдения возобновились. Впоследствии Калифорнийский университет в Беркли вышел из проекта, завершив продажу активов в апреле 2012 года. В настоящее время объектом управляет SRI International (бывший Стэнфордский исследовательский институт), независимый некоммерческий исследовательский институт. По состоянию на 2016 год Институт SETI проводит наблюдения. с ATA с 18:00 до 6:00 ежедневно.

В августе 2014 года объекту угрожал лесной пожар в этом районе, и его ненадолго пришлось остановить, но в конечном итоге он остался практически невредимым.

Обзор

Впервые задуманная SETI пионером Фрэнком Дрейком , эта идея была мечтой Института SETI на протяжении многих лет. Однако только в начале 2001 года исследования и разработки начались после пожертвования в размере 11,5 миллионов долларов Фондом семьи Пола Г. Аллена . В марте 2004 года, после успешного завершения трехлетнего этапа исследований и разработок, Институт SETI представил трехуровневый план строительства телескопа. Строительство началось немедленно благодаря обещанию Пола Аллена (сооснователя Microsoft ) выделить 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 волн , которая является пионером концепции создания радиотелескопов «большое число — малый диаметр» . По сравнению с большой тарелочной антенной большое количество меньших тарелок обходится дешевле для той же площади сбора. Чтобы получить одинаковую чувствительность, сигналы всех телескопов необходимо объединить. Для этого требовалась высокопроизводительная электроника, которая была непомерно дорогой. Из-за снижения стоимости электронных компонентов необходимая электроника стала практичной, что привело к значительной экономии средств по сравнению с телескопами более традиционной конструкции. Неофициально это называется «заменой стали кремнием».

АТА обладает четырьмя основными техническими возможностями, которые делают ее хорошо подходящей для широкого спектра научных исследований: очень широкое поле зрения (2,45° при λ = 21 см, длина волны линии водорода ), полный мгновенный охват частот от 0,5 до 11,2. гигагерца (ГГц), несколько одновременных серверных частей и активное подавление помех. Площадь неба, которую можно мгновенно получить, в 17 раз превышает площадь, которую можно получить с помощью телескопа Very Large Array . Мгновенный охват частот более четырех октав является беспрецедентным в радиоастрономии и является результатом уникальной конструкции источника питания, входного усилителя и тракта прохождения сигнала. Активное подавление помех позволит вести наблюдение даже на частотах многих наземных радиоизлучателей .

Обзоры всего неба являются важной частью научной программы. А ATA будет иметь повышенную эффективность благодаря своей способности одновременно проводить поиск внеземной разведки (SETI) и другие радиоастрономические наблюдения. Телескоп может сделать это, разделив записанные сигналы в диспетчерской перед окончательной обработкой. Одновременные наблюдения возможны, поскольку для SETI , куда бы ни был направлен телескоп, несколько целевых звезд будут находиться в большом поле зрения, обеспечиваемом 6-метровыми тарелками. По соглашению между Радиоастрономической лабораторией Калифорнийского университета в Беркли (RAL) и Институтом SETI , потребности традиционной радиоастрономии определяли наведение антенной решетки до 2012 года.

Планируется, что ATA будет состоять из 350 антенн диаметром 6 м и позволит проводить большие и глубокие радиообследования, которые ранее были невозможны. Конструкция телескопа включает в себя множество новых функций, в том числе гидроформованные поверхности антенн, логопериодический облучатель, охватывающий весь диапазон частот от 500 МГц (МГц) до 11,2 ГГц, а также малошумящие широкополосные усилители с ровной характеристикой во всем диапазоне частот. диапазон, что позволяет напрямую усиливать сигнал неба. 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 каналы.

Прибор эксплуатировался и обслуживался RAL до тех пор, пока разработка решетки не была приостановлена ​​в 2011 году. RAL работала рука об руку с Институтом SETI во время проектирования и прототипирования и была основным разработчиком облучателя, поверхностей антенны, формирования диаграммы направленности , коррелятора и система визуализации для радиоастрономических наблюдений.

Группа Десятилетнего обзора астрономии и астрофизики в своем пятом отчете « Астрономия и астрофизика в новом тысячелетии » (2001 г.) одобрила SETI и признала ATA (тогда называвшийся телескопом площадью 1 гектар ) в качестве важного шага на пути к созданию Телескоп с решеткой «Квадратный километр» (СКА). В последнем десятилетнем отчете рекомендовалось прекратить финансовую поддержку SKA со стороны США, несмотря на участие США в предшественниках SKA, таких как MeerKAT , Hydrogen Epoch of Reionization Array и Murchison Widefield Array .

Хотя смета затрат на незавершенные проекты всегда сомнительна, а характеристики не идентичны (обычные телескопы имеют более низкую шумовую температуру , но ATA имеет большее поле зрения , например), ATA потенциально перспективен как гораздо более дешевая технология радиотелескопа. для данной эффективной апертуры. Например, сумма, потраченная на первый этап ATA-42, включая разработку технологии, составляет примерно треть стоимости нового экземпляра 34-метровой антенны Deep Space Network с аналогичной площадью сбора. Аналогичным образом была оценена ориентировочная общая стоимость строительства остальных 308 тарелок (по состоянию на октябрь 2007 г.). ) около 41 миллиона долларов. Это примерно в два раза дешевле, чем стоимость последней крупной радиоастрономической антенны, построенной в США, — телескопа Грин-Бэнк — в 85 миллионов долларов , с аналогичной площадью сбора. Подрядчик подал заявление о перерасходе в 29 миллионов долларов, но из этой суммы было разрешено только 4 миллиона долларов.

ATA стремится стать одним из крупнейших и быстрейших наблюдательных инструментов в мире и позволить астрономам одновременно искать множество различных целевых звезд. Если он будет завершен, как первоначально предполагалось, это будет один из самых больших и мощных телескопов в мире.

История

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

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

Регулярная работа с 42 блюдами началась 11 октября 2007 года. в настоящее время ищет финансирование для создания дополнительных антенн Институт SETI из различных источников, включая ВМС США , Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA), Национальный научный фонд (NSF) и частных доноров.

Одновременные астрономические наблюдения и наблюдения SETI выполняются с помощью двух с двойной поляризацией корреляторов изображений с 32 входами . Опубликованы многочисленные статьи, сообщающие о традиционных радиоастрономических наблюдениях.

луча с фазированной решеткой Трехформирователи с использованием механизма эмуляции Беркли 2 (BEE2), были развернуты в июне 2007 года и интегрированы в систему, позволяющую проводить одновременные астрономические наблюдения и наблюдения SETI. По состоянию на апрель 2008 года первые наблюдения пульсаров были проведены с использованием формирователя луча и специально построенного пульсарного спектрометра .

Рабочая поисковая система 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 редко, 2) не установлен источник, который запускает последующие действия на следующий день. По состоянию на 2016 год было прослежено и классифицировано более двухсот миллионов сигналов. с помощью АТА. 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 режим гибернации из-за нехватки финансирования, а это означает, что он больше не был доступен для использования. Работа АТА возобновилась 5 декабря 2011 года. Сейчас усилиями руководит Эндрю Симион .

Статус

В 2012 году ATA финансировалась за счет благотворительного пожертвования в размере 3,6 миллиона долларов Франклина Антонио, соучредителя и главного научного сотрудника Qualcomm Incorporated . Этот подарок поддерживает модернизацию всех приемников на антеннах 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 до 15 ГГц, когда первоначально радиостанция частота электроники ушла всего на 11 ГГц. К июлю 2016 года первые десять таких приемников были установлены и проверены. Полная установка всех 42 антенн запланирована на июнь 2017 года. .

В ноябре 2015 года АТА изучила аномальную звезду KIC 8462852 . а осенью 2017 года массив телескопов Аллена исследовал межзвездный астероид Оумуамуа на предмет признаков технологии, но не обнаружил никаких 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 достижения, которые, как мы надеемся, будут созданы каждым из них.

• Определить содержание линий водорода (HI) в галактиках с точностью до z ~ 0,2 в пределах 3π стерадианов , чтобы измерить, сколько межгалактического газа аккрецируют внешние галактики; искать темные беззвездные галактики; заложить основу для темной энергии обнаружения с помощью массива квадратных километров .
• Классифицировать 250 000 внегалактических радиоисточников как активные ядра галактик или галактики со звездообразованием , чтобы исследовать и количественно оценить звездообразование в Местной Вселенной ; идентифицировать объекты с высоким красным смещением ; исследовать крупномасштабную структуру Вселенной; для идентификации кандидатов в гравитационные линзы для темной материи и темной энергии . обнаружения
• Исследуйте переходное небо , чтобы исследовать аккрецию черных дыр ; найти бесхозные послесвечения гамма-всплесков ; открывать новые и неизвестные переходные явления.
• Обследуйте 1 000 000 звезд на предмет излучения, связанного с SETI, с достаточной чувствительностью, чтобы обнаружить Аресибо радар на расстоянии до 300 парсеков в диапазоне 1–10 ГГц .
• Осмотрите 4×10 ¹⁰ звезды внутренней галактической плоскости в диапазоне 1,42–1,72 ГГц для очень мощных передатчиков .
• Измерьте магнитные поля в Млечном Пути и других галактиках Местной группы , чтобы исследовать роль магнитных полей в звездообразовании, формировании и эволюции галактик .
• Обнаружьте фон гравитационных волн от массивных черных дыр с помощью синхронизации пульсаров .
• Измеряйте свойства молекулярных облаков и звездообразования с помощью новых молекулярных индикаторов, чтобы составить карту условий звездообразования в масштабе целых гигантских молекулярных облаков (ГМО); определить градиент металличности Млечного Пути.

Таблица 1. Производительность массива и ключевые научные проекты

Множество	Статус	Размер луча (угловые секунды)	S rms (мЯн)	Скорость (град 2 с −1 )	Ключевая наука
АТА-42	Изготовление блюда завершено; ведется ввод в эксплуатацию коррелятора с 32 входами и двойной поляризацией (всего 64 входа)	245 х 118	0.54	0.02	FiGSS: обзор континуума 5 ГГц, молекулярная спектроскопия в плоскости галактики, обзор галактического центра SETI
АТА-98	Ожидаем результатов АТА-42 для финансирования	120 х 80	0.2	0.11	Пробные исследования ATHIXS†, Исследование оттока звезд HI, Целевое исследование SETI: 100 звезд
АТА-206	Этап разработки не завершен	75 х 65	0.11	0.44	ATHIXS, Карта намагниченной межгалактической межзвездной среды, Система синхронизации 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 межгалактической межзвездной среды, Временная решетка пульсаров, Глубокие исследования континуума и переходных процессов, Целевые исследования SETI
Примечание. Размер луча и чувствительность континуума ( среднеквадратичное значение S оценено для 6-минутного наблюдения непрерывного изображения на частоте 100 МГц при прохождении источника со склонением 40° на длине волны 21 см. Скорость указана для съемки при наблюдениях на расстоянии 21 см с полоса пропускания 100 МГц, которая достигает 1 мЯр среднеквадратичного значения . †ATIXS — это внегалактический обзор HI всего неба.

Оппортунистическая наука

С момента начала строительства установки было предложено несколько научных целей, специально для нее не сформулированных.

Например, компания Allen Telescope Array предложила предоставить нисходящую связь с данными лунных прогнозов для всех участников конкурса Google Lunar X Prize . Это практично, поскольку решетка без доработок перекрывает основные диапазоны космической связи (S-диапазон и X-диапазон). Декодер телеметрии будет единственным необходимым дополнением.

Также ATA упоминался как кандидат для поиска нового типа радиотранзиентов . Это отличный выбор для этой цели 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 транзиентные радиосигналы, а наблюдения проводились в период с февраля по апрель 2008 года.

Инструменты

Смещенный григорианский дизайн ATA

Конфигурация ATA-42 обеспечит максимальную базовую длину 300 м (и, в конечном итоге, для ATA-350 — 900 м). Охлаждаемый логопериодический облучатель на каждой антенне рассчитан на обеспечение температуры системы ~45К 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 создания 4 полос промежуточной частоты по 672 МГц. Два IF поддерживают корреляторы для визуализации; два будут поддерживать наблюдение SETI . Все настройки могут создавать четыре луча с фазированной решеткой с двойной поляризацией , которые можно независимо наводить внутри основного луча и использовать с различными детекторами. Таким образом, ATA может синтезировать до 32 лучей с фазированной решеткой.

Широкое поле зрения ATA дает ему беспрецедентные возможности для проведения крупных съемок (рис. 4). Время, необходимое для картографирования большой площади с заданной чувствительностью, пропорционально ( ND ) ² , где N — количество элементов, а D — диаметр тарелки. Это приводит к удивительному результату: большой массив маленьких тарелок может превзойти массив с меньшим количеством элементов, но значительно большей площадью сбора в задаче больших исследований. 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 съемок с точечными источниками ATA-42 сравним по скорости со скоростью Аресибо и телескопа Грин-Бэнк (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 с точечными источниками, и сравним по скорости съемки с Expanded Very Large Array (EVLA). Для съемки с заданной чувствительностью к яркостной температуре ATA-98 превысит скорость съемки даже конфигурации VLA-D. ATA-206 должен соответствовать яркостной чувствительности Arecibo и GBT. Однако ATA обеспечивает лучшее разрешение, чем любой из этих однозеркальных телескопов.

Антенны для ATA представляют собой гидроформованные офсетные григорианские телескопы размером 6,1 x 7,0 метров (20,0 x 23,0 футов) , каждый из которых имеет субрефлектор длиной 2,4 метра с соотношением эффективного фокусного расстояния к диаметру (f/D) 0,65. (См. ДеБоер, 2001). Смещенная геометрия устраняет блокировку, что повышает эффективность и уменьшает боковые лепестки . Это также позволяет использовать большой субрефлектор, обеспечивающий хорошие низкочастотные характеристики. Технология гидроформинга, используемая для изготовления этих поверхностей, такая же, как и технология, используемая компанией Andersen Manufacturing из Айдахо-Фолс, штат Айдахо, для производства недорогих спутниковых рефлекторов. Уникальное компактное крепление на внутренней раме, поддерживаемое ободом, обеспечивает превосходную производительность при низкой цене. В системе привода используется подпружиненный пассивный безлюфтовый привод по азимуту. Большинство компонентов разработано Мэтью Флемингом и произведено в Minex Engineering Corp. в Антиохии, Калифорния .

Управление данными

Как и в случае с другими массивами , огромное количество поступающей сенсорной информации требует возможности обработки массива в реальном времени , чтобы уменьшить объем данных для хранения. Для ATA-256 средние скорости передачи данных и общий объем данных для коррелятора оцениваются в 100 Мбайт/с и 15 Пбайт за пятилетний период исследования. Такие эксперименты, как переходные исследования, значительно превысят этот показатель. Формирователи луча производят данные с гораздо более высокой скоростью (8 гигабайт в секунду (Гбит/с)), но архивируется лишь очень небольшая часть этих данных. В 2009 году аппаратное и программное обеспечение для обнаружения сигналов называлось Prelude.состоит из устанавливаемых в стойку ПК, дополненных двумя специальными платами-ускорителями на основе микросхем цифровой обработки сигналов (DSP) и программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA). Каждый программируемый модуль обнаружения (один из 28 ПК) может анализировать входные данные двойной поляризации на частоте 2 МГц для генерации спектров со спектральным разрешением 0,7 Гц и временными выборками 1,4 секунды.

В 2009 году массив имел подключение к Интернету со скоростью 40 Мбит/с , достаточное для удаленного доступа и передачи данных для ATA-256. Планировалось повысить скорость до 40 Гбит/с , что позволит напрямую распределять необработанные данные для удаленных вычислений.

Вычислительная сложность и требования

Как и другие системы массивов, ATA имеет вычислительную сложность и перекрестное соединение, которое масштабируется как O (N ² ) с количеством антенн $N$.Требования к вычислениям, например, для корреляции полной пропускной способности ATA ( $B$ = 11 ГГц) для предлагаемого $N$ = 350 антенн с двойной поляризацией, использующих эффективную архитектуру умножения частоты (FX) и скромную ширину канала 500 кГц (с количеством каналов $F$ = 2200), определяется по формуле:

$2B\langle N\log _{2}(F)(10OPs)+(N{\frac {N+1}{2}})\times 4(8OPs)\rangle$ = 44 Пета- ОП в секунду

где $Ops$ это операция . Обратите внимание: поскольку каждая антенна имеет антенну с двойной поляризацией, каждая выборка сигнала фактически представляет собой два набора данных, следовательно $2B$.

См. также

• Институт Карла Сагана – Институт поиска обитаемых миров
• Экзопланета – Планета за пределами Солнечной системы.
• Список радиотелескопов
• Институт SETI – Некоммерческая исследовательская организация
• Поиск внеземного разума - попытка найти цивилизации не с Земли.
• setiQuest - Страницы проекта Института SETI, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.

Внешние ссылки

• Официальный сайт
• «Сайт АТА Радиоастрономической лаборатории» . Архивировано из оригинала 2 сентября 2006 г. Проверено 16 ноября 2015 г.
• Поиск продолжается с помощью телескопа Аллена . Маунтин-Вью, Калифорния: Институт SETI . 25 марта 2004 г.
• Лаборатория радиоастрономии Калифорнийского университета в Беркли: предложение NSF, 15 июня 2005 г.
• https://web.archive.org/web/20111006031806/https://setistars.org/
• Minex Engineering Corporation в Антиохии, Калифорния