SKA Square Kilometre Array

1 millón de m2 de área colectora en el planeta

Tierra para recibir información desde los confines del Universo

Dra. Gloria Dubner

Temario:

• ¿ Qué es SKA? • ¿ Para qué se construye? • ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto? • ¿ Cómo será? • ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene

Argentina?

Es un proyecto multinacional para construir el mayor radiotelescopio de síntesis de apertura jamás concebido. Se pretende que sea al menos 50 veces más sensible y 10.000 veces más rápido que los mejores instrumentos similares en operaciones en la actualidad.

¿ Qué es SKA?

Superficie colectora 30 veces mayor que el mayor radiotelescopio construido o diseñado hasta el presente

Usando radiotelescopios se puede explorar el Universo en una manera única. Las ondas de radio penetran el polvo y permiten acceder a regiones oscuras y muy distantes, vedadas al resto de los instrumentos de exploración del espacio.

Espectro electromagnético

Para qué hacen falta radiotelescopios grandes?

Un radiotelescopio de disco simple

La resolución angular de un telescopio es la capacidad de discernir detalles finos en la estructura de una radiofuente. Para un telescopio de disco simple se la puede estimar como: 200.000 x longitud de onda observada (metros) ∆ θ ≈ Diámetro de la antena (metros)

Un radiotelescopio como el del IAR (antena de 30 metros) observando a la longitud de onda del hidrógeno neutro (21 cm), tiene una resolución angular ∆θ=34’.

El radiotelescopio de disco simple de Arecibo (Puerto Rico), el más grande del mundo, con una antena de 300 metros de diámetro, ∆θ = 3’.

Para conseguir resoluciones comparables, hay que acudir a radiotelescopios de síntesis, o interferómetros.

Los telescopios ópticos tienen resoluciones angulares de fracciones de segundo de arco.

Un radiotelescopio de síntesis

Se sintetiza un gran telescopio a partir de muchos telescopios chicos.

Correlador

B

T2 T1

Dirección a la fuente

Computadora

θ

Con un interferómetro de 2 antenas:

Con n antenas, se consiguen n(n-1)/2 espaciados

Dirección a la fuente

Se necesitan medir correlaciones cruzadas sobre el mayor número de espaciados posibles

El plano u-v

• Visto desde la fuente, cada línea de base traza una elipse con un telescopio en el centro de la elipse:

• El plano u-v podría compararse aproximadamente

con el plano de la superficie de un disco simple

La línea de base proyectada puede especificarse usando coordenadas u-v. u da la componente Este-Oeste y v la componente Norte-Sur

v

u T1

T2

declinación=-40o declinación=-85o

declinación=-10o

Ejemplos de planos u-v para un telescopio aprox. a la latitud de Buenos Aires

27 antenas de 25 m de diám. c/u. Pueden simular varios telescopios. El de mayor apertura tiene un diámetro de 36 km

Very Large Array

Arreglo de 6 antenas en Narrabri (Australia)

Radiotelescopio en Pune (India)

ALMA, Chajnantor (Chile)

Temario:

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Argentina?

El Comité Internacional Asesor de Ciencia para el proyecto SKA ha definido una serie de proyectos científicos clave en los cuales este instrumento podrá hacer una contribución fundamental. Los objetivos centrales para SKA se definieron por medio de un concurso internacional.

Todas estas investigaciones producirán resultados exclusivamente accesibles a la banda de ondas de radio, que serán complementarios de los estudios de los restantes proyectos instrumentales de astronomía de frontera en otras bandas del espectro.

Ciencia transformadora

¿Qué es la misteriosa energía oscura?

¿Cómo se forman las galaxias y cómo evolucionan?

La evolución del Universo y la formación de estructura a gran escala parece estar gobernada por la extraña acción de una “energía oscura” . Aparte del hecho observado de que dicha energía ha causado una aceleración reciente en la expansión del Universo, sus propiedades son virtualmente ignoradas.

A través de la detección de HI en galaxias normales con muy alto z (muy distantes, muy antiguas) se podrá obtener un excepcional espectro de potencia de la materia, con el cual se podrá computar la Ecuación de Estado y la intensidad de la Energía Oscura como función de la época cósmica.

Con un campo de vista mayor que 10º, en poco más de 1 año de operación, se esperan localizar 1000 millones de galaxias nuevas sobre un vasto volumen hasta un z = 1.5.

El resultado será la medición más precisa jamás alcanzada del patrón de agrupamiento de las galaxias, probando los modelos teóricos de crecimiento de la estructura en el Universo.

Las Eras Oscuras del Universo

¿Qué ocurrió después del Big Bang antes de que se formen las primeras estrellas y galaxias? ¿Qué se formó primero, estrellas o galaxias?

Se podrán investigar los complicados procesos que tuvieron lugar durante la época de la reionización mediante la observación de la línea de 21cm del HI con muy alto corrimiento al rojo. Con la alta sensibilidad de SKA será posible analizar los cambios en la distribución del hidrógeno neutro en el Universo a través del tiempo. Asimismo, estudiando CO a muy alto z se podrá observar formación de estrellas en galaxias muy lejanas.

la historia cósmica Big Bang El Universo lleno con gas ionizado El Universo se vuelve neutro y opaco Comienzan las Eras Oscuras Comienzan a formarse galaxias y quasares Comienza la reionización El renacimiento cósmico Terminan las Eras Oscuras Reionización completa. el Universo vuelve a ser transparente Las Galaxias evolucionan Se forma el Sistema Solar Hoy:los astrónomos imaginan el pasado

Tiempo desde el Big Bang (en años)

~300 mil

~500 millones

~ 1000 millones

~9000 millones

~13000 millones

SKA permitirá detectar los primeros agujeros negros

Se podrán producir detallados mapas 3-D del primer entramado cósmico de gas neutro

Los paneles muestran simulaciones del H neutro en el Universo evolucionando con el tiempo. Las regiones oscuras corresponden a regiones altamente ionizadas y las brillantes son regiones de gas neutro.

La cuna de la vida

¿Estamos solos en el Universo?

¿ Hay otros planetas del tipo terrestre?

¿En las regiones de formación estelar: qué moléculas son relevantes para la formación de planetas y de vida?

Investigando el proceso de formación de planetas alrededor de estrellas jóvenes, se podrá comprender como se forman los planetas “tipo-terrestres”.

Se espera poder detectar “huecos” en los discos protolanetarios que revelen la formación de planetas.

Podrá estudiar discos protoplanetarios con una resolución de hasta 0.15 UA (~ 22 millones de km! a 20 GHz) hasta una distancia de 500 años luz. Esto abarca muchas de las regiones de formación estelar mejor estudiadas de la Galaxia. Podrá detectar aminoácidos y otras biomoléculas complejas.

SKA ofrecerá la posibilidad de detectar transmisiones de radio provenientes de vida inteligente en el espacio. Podrá “escuchar” señales no más intensas que las generadas por la TV o por radares con tecnologías del siglo XX en nuestro planeta.

Tests de campos de gravedad intensos

¿Es correcta la Teoría de la Relatividad General de Einstein?

¿Cuáles son las propiedades de los agujeros negros?

¿Quedan aún irregularidades en el espacio-tiempo del Universo temprano?

SKA podrá descubrir decenas de miles de pulsares, algunos de los cuales orbitarán agujeros negros. Estos sistemas proveerán los tests más extremos de la relatividad general.

También podrá descubrir “ondulaciones” en el espacio-tiempo detectando ondas gravitacionales de fondo (p. ej. de la fusión de agujeros negros supermasivos). SKA será un gigantesco detector de ondas gravitacionales , sensible a frecuencias de Nano-Hz, invisibles a los detectores (actuales y futuros) de ondas gravitacionales.

El origen y evolución

del magnetismo cósmico

•La radioastronomía es la única herramienta para estudiar campos magnéticos a grandes distancias.

• Se podrá caracterizar completamente la evolución de campos magnéticos en galaxias y cúmulos desde z > 3 hasta el presente.

•Medir intensidad y estructura del campo magnético en el medio intergaláctico, determinar la conexión entre la formación de B y la formación de estructura en el Universo temprano.

•Proveer respuestas sobre cómo y cuándo se generaron los primeros campos magnéticos en el Universo

Explorar lo desconocido

La radioastronomía es responsable de algunos de los mayores descubrimientos en física y astrofísica del último siglo: Radiación de fondo cósmico Quasares Pulsares Lentes gravitacionales Materia oscura Maseres Ondas gravitacionales Los primeros planetas extra-solares

SKA será un instrumento versátil, multi-propósito,

listo para esperar lo inesperado

• ¿ Qué es SKA? • ¿ Para qué se construye? • ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto? • ¿ Cómo será? • ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene

Argentina?

Temario:

El costo final de SKA se estima en: 1000 millones de U$S. (de los cuales ~ 280 millones de U$S van para infraestructura en el país donde se instale)

Se realiza con el esfuerzo económico y tecnológico

de 34 instituciones de 15 países: Alemania, Australia, Canadá, China, España, Estados Unidos, Francia, Holanda, India, Italia, Polonia, Reino Unido, Rusia, Sudáfrica y Suecia.

Estos países llevan al presente invertidos y

comprometidos más de 100 millones de dólares.

infraestructura 20%

computación 15%

procesadores digitales de señales (DSP) 22%

enlaces de fibra óptica 9%

sistemas de radiofrecuencia 4%

antenas 30%

Temario:

• ¿ Qué es SKA? • ¿ Para qué se construye? • ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto? • ¿ Cómo será? • ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene

Argentina?

Las señales se transportaran por fibra óptica a velocidades de transmisión aún no alcanzadas tecnológicamente en el mundo.

Para lograr sus metas, SKA se ha planteado desde su inicio como un desafío tecnológico y de ingeniería.

Las antenas (cientos? miles?) estarán distribuídas en estaciones que se extenderán hasta más de 3000 km.

Metas de diseño Que opere entre: 0.1 y 25 GHz Campo de vista: 1 grado cuadrado a 1.4 GHz a 0.7 GHz ״ ״ 200 4 campos de vista simultáneos Resolución angular: 01.״ a 1.4 GHz a 0.7 GHz 2.״0 No. de canales espectrales: 10.000 por banda Velocidad de procesamiento de datos: 1015 operac./seg. Transmisión de datos: 1 Tera (1012) byte/minuto (comparar con 1Mb (106)/seg Internet“rápida” )

Configuraciones posibles de SKA

El millón de metros cuadrados de área colectora de SKA podrá estar distribuído en :

• un gran número de pequeñas antenas (LNSD) • pequeño número de grandes antenas (SNLD)

En cualquier caso el área colectora deberá distribuirse : NÚCLEO (core): 20% del AC dentro de 1 km de diámetro ÁREA CENTRAL: 50% del AC dentro de un anillo entre 1 y 5 km de diámetro siguiendo una espiral logarítmica simétrica ESTACIONES REMOTAS: 75% del AC distribuida sobre brazos espirales logarítmicos dentro de 150 km 25% del AC hasta por lo menos 3000 km

THEA (Thousand Element Array): Consiste en la utilización de arreglos de antenas en mosaico con más de 50 millones de elementos receptores con un formador digital de haz adaptativo. Cada mosaico estará formado por 64 antenas de banda ancha y puede ser usado para múltiples apuntamientos al cielo simultáneamente.

LAR (Large Adaptive Reflector): Será un gran radiotelescopio orientable formado por unidades de 200 m de diámetro, construidas a base de paneles planos. La forma total del reflector será ajustada por computadoras. El receptor estará sostenido por un globo aerostático suspendido a 500 m por encima del reflector.

LNSD (Large N Small D): Consiste en 4400 antenas parabólicas de 12 m de diámetro con un alimentador secundario de 6 m de diámetro, que podría estar descentrado (como en el Allen Telescope Array desarrollado en California por el Instituto SETI ) o centrado (actualmente en estudio en la NASA).

KARST (Kilometre-square Area Radio Synthesis Telescope): Se propone construir un arreglo de antenas casi planas (de 300 a 500 m de diámetro) aprovechando depresiones naturales (llamadas karst en chino), abundantes en la Prov. Guizhou en el sudoeste de China. Cada antena será tipo Arecibo pero con reflector activo y con un área colectora más de dos veces mayor.

San Juan

Barreal blanco Observatorio CASLEO

Núcleo y región central

CASLEO (2550m)

Cordón de los Naranjos (3225 m)

Sierra del Tontal

(4368 m)

Pampa del Peñasco (2650 m)

Cor

dón

del M

edio

(280

0 m

)

Configuración asimétrica de 5 brazos

Configuración asimétrica de 5 brazos

Bolivia

Uruguay

tolerancia de 10%

Atlantic Ocean

Paci

fic O

cean

CASLEO

SITIO CENTRAL

CASLEO Pampa del Medio

Pampa del Peñasco

Province of San Juan, Argentina Altitude ~ 2550m above sea level λ= 69o 16‘ 18“ W; φ= -31o 42‘ 21"

Inversiones en el pais

Adquisicion de tierras

1%Fibra optica

25%

Potencia electrica22%

Construccion de caminos

31%

Trabajos en el sitio11%

Construcciones10%

Adquisicion de tierrasFibra opticaPotencia electricaConstruccion de caminosTrabajos en el sitioConstrucciones

Algunas mediciones de interferencias en radiofrecuencias

S

W

N

Frequency (MHz)

Pow

er (d

Bm

)

Visibilidad de las fuentes

Declination

Vis

ibili

ty (h

ours

)

h =30o

h= 25o Elevation limit (h)=20o

Taur

us

Oph

iucu

s

Cha

mae

leon

Gal

actic

Cen

tre

Source Visibility

Declination

Vis

ibili

ty (h

ours

)

h =30o

h= 25o Elevation limit (h)=20o

SMC

LMC Galactic Plane 195, 0o) (~72%) (54o, 0o)

Oportunidades de observación simultánea con grandes telescopios existentes o proyectados

Vis

ibili

ty (h

ours

)

Declination

CTIO ESO LCO SOAR VLT

ALMA APEX CBI ASTE

SKA

Altitude limit of 30o ópticos

radio

uv coverage

Planificación 1994: Concepto - Grupo de trabajo Internacional 1995: Comienzo de diseño de prototipos 2000: Firma del Memorando de Entendimiento Extendido en 2005 2006: Ranking de sitios 2008: Decisión final de sitio 2009: Decisión técnica final 2010: Construcción de los prototipos en el sitio 2013: Comienzo de operaciones 2114: Construcción del arreglo completo 2020: Operación a full. 2070: Estimado fin de operaciones

Comité SKA-en Argentina: Dr. Marcelo Arnal, Dra.Gloria Dubner, Dra. Elsa Giacani Dr. Hugo Levato, Dr. Ricardo Morras, Dra. Estela Reynoso

Colaboradores para estudios de ionósfera: Lic. Marta Mosert Dr. Claudio Brunini Dr. Rodolfo Ezquer

Colaboradores multidisciplinarios: Dr. Aníbal Gattone (transmisión de datos) Lic. Andres Asiaín (economía y sociedad) Lic. Patricio Parente (antropología) Ingenieros y Técnicos del IAR Ingenieros y Técnicos del CASLEO Arquitectos, Geólogos, etc.

Tareas de candidatura auspiciadas y financiadas por: Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva (SECYT)

Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)

Colaboradores geógrafos: Dra. Susana Sassone Tte. Cnel. Julio Benedetti Lic. Darío Sanchez Lic. Brenda Matosian Andrea Calligaro

http://www.skatelescope.org http://www.skads-eu.org/p/SKADS_documents.html http://www.iar.unlp.edu.ar/SKA