Αυτό είναι το ισχυρότερο ραδιοτηλεσκόπιο στον κόσμο!

Σύνοψη

• Το Caltech και η Schmidt Sciences κατασκευάζουν το Deep Synoptic Array (DSA) στην έρημο της Νεβάδα, με προγραμματισμένη ολοκλήρωση το 2029.
• Θα αποτελείται από 1.650 παραβολικές κεραίες διαμέτρου 6 μέτρων, καθιστώντας το, το μεγαλύτερο ραδιοφωνικό δίκτυο παγκοσμίως (έκταση 20×16 χλμ).
• Η ταχύτητα σάρωσης του ουρανού θα είναι 100 φορές μεγαλύτερη από τα υπάρχοντα συστήματα, αναμένοντας την καταγραφή 20 εκατομμυρίων ραδιοπηγών κατά την πρώτη ημέρα λειτουργίας.
• Ενσωματώνει υπερυπολογιστή με Nvidia GPUs που λειτουργεί ως «ραδιοφωνική κάμερα» πραγματικού χρόνου, για την αποφυγή αποθήκευσης 100 exabytes δεδομένων.
• Τα δεδομένα του ραδιοτηλεσκοπίου θα είναι ανοιχτά και άμεσα προσβάσιμα στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα χωρίς καμία περίοδο αποκλειστικότητας.
• Βασικές ανακαλύψεις θα αφορούν γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις (FRBs), πάλσαρ και την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων.

Το Σύμπαν εκπέμπει διαρκώς ραδιοκύματα, τα οποία προέρχονται από πίδακες υπερμεγεθών μαύρων τρυπών, περιστρεφόμενους νεκρούς αστέρες και άλλα εξωτικά κοσμικά φαινόμενα. Για την παρατήρηση αυτών των συχνοτήτων, οι οποίες διαθέτουν μήκη κύματος χιλιάδες φορές μεγαλύτερα από το ορατό φως, οι αστρονόμοι βασίζονται σε ραδιοτηλεσκόπια. Ιστορικά, η επιστημονική κοινότητα έπρεπε να επιλέξει ανάμεσα στην υψηλή ευαισθησία των τεράστιων ενιαίων δομών, όπως το FAST στην Κίνα ή το κατεστραμμένο Arecibo, και στην υψηλή ανάλυση εικόνας που προσφέρουν τα δίκτυα πολλαπλών κεραιών, όπως το Very Large Array (VLA) στο Νέο Μεξικό.

Το ινστιτούτο Caltech ετοιμάζεται να γεφυρώσει αυτό το τεχνολογικό χάσμα με το Deep Synoptic Array (DSA) ή DSA-2000, ένα project προϋπολογισμού σχεδόν 200 εκατομμυρίων δολαρίων, με χρηματοδότηση από τον οργανισμό Schmidt Sciences. Η ολοκλήρωση του τελικού σχεδιασμού επιτρέπει την έναρξη των εργασιών κατασκευής, δημιουργώντας την πιο ευαίσθητη και ταχεία εγκατάσταση ραδιοαστρονομίας στον πλανήτη.

Το Deep Synoptic Array (DSA) είναι χωροθετημένο σε μία ραδιοφωνικά απομονωμένη κοιλάδα στη Νεβάδα και αποτελείται από 1.650 κεραίες διαμέτρου έξι μέτρων. Όταν ολοκληρωθεί το 2029, θα σαρώνει τον ουρανό 100 φορές ταχύτερα, εντοπίζοντας 1 δισεκατομμύριο ραδιοπηγές στα πρώτα πέντε χρόνια λειτουργίας.

Η εγκατάσταση αποτελεί συνέχεια των επιτυχημένων πρωτοτύπων DSA-110 και του Long Wavelength Array του Owens Valley Radio Observatory (OVRO) του Caltech. Συνδυάζοντας τον τεράστιο αριθμό μεμονωμένων δεκτών, το σύστημα προσφέρει πρωτοφανή χωρική ανάλυση χωρίς να θυσιάζει την ικανότητα λήψης εξαιρετικά αμυδρών σημάτων από τα βάθη του Σύμπαντος.

Πώς λειτουργεί η τεχνολογία της Ραδιοφωνικής Κάμερας;

Η «Ραδιοφωνική Κάμερα» μετατρέπει τον τεράστιο όγκο ακατέργαστων δεδομένων του DSA σε εικόνες πραγματικού χρόνου. Χρησιμοποιώντας υπερυπολογιστές με επεξεργαστές γραφικών (GPUs) της Nvidia, το σύστημα επεξεργάζεται τα σήματα άμεσα, αποφεύγοντας την ανάγκη αποθήκευσης 100 exabytes δεδομένων, κάτι που θα απαιτούσε 5 εκατομμύρια σκληρούς δίσκους.

Το κύριο τεχνικό εμπόδιο στην επέκταση των συστοιχιών κεραιών ήταν παραδοσιακά η διαχείριση των δεδομένων. Οι 1.650 κεραίες παράγουν συνεχόμενη ροή πληροφοριών που ισοδυναμεί με το σύνολο της τρέχουσας διαδικτυακής κίνησης των ΗΠΑ.

Η διαδικασία επεξεργασίας

• Διασύνδεση οπτικών Ινών: Το πολύπλοκο δίκτυο οπτικών ινών, σχεδιασμένο από την Praxis Broadband, μεταφέρει τα δεδομένα από κάθε κεραία σε κεντρικό κόμβο.
• Σύνθεση εικόνας: Το δίκτυο των GPUs της Nvidia δεν απλώς αποθηκεύει, αλλά συνθέτει («ράβει») τα δεδομένα σε επιστημονικά αξιοποιήσιμες ραδιοφωνικές εικόνες άμεσα.
• Συμπίεση αρχείου: Με τη χρήση της κάμερας πραγματικού χρόνου, η ετήσια αρχειοθέτηση μειώνεται σε μόλις μερικές δεκάδες petabytes (1 petabyte = 1 εκατομμύριο gigabytes), καθιστώντας το έργο βιώσιμο.

Παράλληλα, το σύστημα εξοπλίζεται με την τεχνολογία “Chronoscope“, η οποία επιτρέπει τη σάρωση του ουρανού με ταχύτητα 1.000 καρέ ανά δευτερόλεπτο (fps) για τον άμεσο εντοπισμό παροδικών φαινομένων.

Καινοτομίες κατασκευής: Από τα εξαρτήματα ψησίματος έως τη Νεβάδα

Για τη διατήρηση του κόστους στα 200 εκατομμύρια δολάρια, το Caltech ανέπτυξε δέκτες θερμοκρασίας δωματίου, εξαλείφοντας τα ακριβά συστήματα κρυογονικής ψύξης. Επιπλέον, για τη μετατροπή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, το ερευνητικό ινστιτούτο χρησιμοποίησε μεταλλικές φόρμες ζαχαροπλαστικής, αποδεικνύοντας πρακτικές λύσεις στη μαζική παραγωγή.

Το κόστος δημιουργίας 1.650 δεκτών κορυφαίας ακρίβειας απαιτούσε ριζοσπαστικές λύσεις μηχανικής. Τα παραδοσιακά ραδιοτηλεσκόπια χρησιμοποιούν δέκτες που ψύχονται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί ο θερμικός “θόρυβος” που καλύπτει τα αστρονομικά σήματα. Ο ραδιοαστρονόμος Sandy Weinreb του Caltech σχεδίασε νέους ενισχυτές σήματος, οι οποίοι προσφέρουν αντίστοιχη καθαρότητα χωρίς την ανάγκη προσθήκης ακριβών κρυογονικών ψυκτών στην κάθε κεραία.

Η εταιρεία Mtex Antenna Technology GmbH ανέλαβε τον τελικό σχεδιασμό και την κατασκευή των 1.650 κατόπτρων, ωστόσο η μεγαλύτερη έκπληξη προήλθε από την εταιρεία ζαχαροπλαστικής Fat Daddio’s. Το Caltech διαπίστωσε πως το σχήμα μιας συγκεκριμένης μεταλλικής φόρμας για κέικ έχει τα ιδανικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά για το χωνί τροφοδοσίας των κεραιών. Μέσω στοχευμένης μεταλλουργικής κοπής, χιλιάδες τέτοια σκεύη μετατράπηκαν στα πλέον καίρια εξαρτήματα μετατροπής των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε ηλεκτρικά σήματα.

Πώς θα βοηθήσει το DSA στην κατανόηση του Σύμπαντος;

Το DSA θα καταγράψει γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις (FRBs), πάλσαρ, συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων και μαύρες τρύπες. Η μοναδική του ευαισθησία θα βοηθήσει στον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων και τη μελέτη της Σκοτεινής Ύλης, ενώ τα επιστημονικά δεδομένα θα είναι ελεύθερα διαθέσιμα στο κοινό, χωρίς καμία περίοδο αποκλειστικότητας.

Το επιστημονικό εύρος της συστοιχίας αναμένεται να καλύψει τα σημαντικότερα πεδία της σύγχρονης αστροφυσικής και σε συνδυασμό με οπτικά παρατηρητήρια όπως το Vera C. Rubin στη Χιλή, το DSA θα αποτελέσει τον ραδιοφωνικό αναλογιστή για την κατανόηση κρίσιμων φαινομένων:

• Fast Radio Bursts (FRBs): Αναμένεται η ανίχνευση άνω των 100.000 τέτοιων ισχυρών ραδιοφωνικών λάμψεων.
• Συγχωνεύσεις Αστέρων Νετρονίων: Παρέχοντας γεωγραφικό εντοπισμό ακριβείας. Όπως αποδείχτηκε το 2017 (GW170817), ο συνδυασμός καταγραφής βαρυτικών κυμάτων από το LIGO/Virgo με τη ραδιοφωνική παρατήρηση είναι απαραίτητος για την κατανόηση της παραγωγής βαρέων μετάλλων, όπως ο χρυσός.
• Πάλσαρ και Υπερμεγέθεις Μαύρες Τρύπες: Η ανακάλυψη 20.000 νέων πάλσαρ (περιστρεφόμενοι αστέρες νετρονίων) θα δημιουργήσει ένα κοσμικό ρολόι μέτρησης του «ωκεανού» των βαρυτικών κυμάτων, ο οποίος δημιουργείται από αργές συγχωνεύσεις υπερμεγεθών μαύρων τρυπών.

Η συμμετοχή του Γερμανικού Κέντρου Αστροφυσικής (DZA) εδραιώνει τον διεθνή χαρακτήρα του project, καθώς αναπτύσσεται ήδη ένα δίκτυο 8 πρωτότυπων κεραιών στη Γερμανία για την τελειοποίηση του λογισμικού.