Square Kilometer Array (SKA)

SKA Square Kilometre Array 1 mill贸n de m2 de 谩rea colectora en el planeta Tierra para recibir informaci贸n 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?

¿ Qué es SKA? 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.

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 煤nica. Las ondas de radio penetran el polvo y permiten acceder a regiones oscuras y muy distantes, vedadas al resto de los instrumentos de exploraci贸n del espacio.

Espectro electromagnĂŠtico

Para quĂŠ 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: ∆θ≈

200.000 x longitud de onda observada (metros) 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’.

Los telescopios 贸pticos tienen resoluciones angulares de fracciones de segundo de arco.

Para conseguir resoluciones comparables, hay que acudir a radiotelescopios de s铆ntesis, o interfer贸metros.

Un radiotelescopio de sĂ­ntesis

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

Con un interfer贸metro de 2 antenas:

Direcci贸n a la fuente

胃

B

T2

T1 Correlador

Computadora

Se necesitan medir correlaciones cruzadas sobre el mayor n煤mero de espaciados posibles Direcci贸n a la fuente

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

El plano u-v • Visto desde la fuente, cada línea de base traza una elipse con un telescopio en el centro de la elipse: La línea de base

proyectada puede especificarse usando coordenadas u-v.

v  T1

T2

u

u da la componente Este-Oeste y v la componente Norte-Sur

• El plano u-v podría compararse aproximadamente con el plano de la superficie de un disco simple

Ejemplos de planos u-v para un telescopio aprox. a la latitud de Buenos Aires declinaci贸n=-85o declinaci贸n=-40o

declinaci贸n=-10o

Very Large Array

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

Arreglo de 6 antenas en Narrabri (Australia)

Radiotelescopio en Pune (India)

ALMA, Chajnantor (Chile)

Temario: • ¿ Qué es SKA? • ¿ Para qué se construye?

• ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto?

• ¿ Cómo será?

• ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene 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.

Ciencia transformadora

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.

¿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.

ďƒź 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 Tiempo desde el Big Bang (en años) ~300 mil

~500 millones

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 ~ 1000 millones

Reionización completa. el Universo vuelve a ser transparente Las Galaxias evolucionan

~9000 millones

~13000 millones

Se forma el Sistema Solar

Hoy:los astrónomos imaginan el pasado

SKA permitirรก detectar los primeros agujeros negros

Se podr谩n producir detallados mapas 3-D del primer entramado c贸smico 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.

ďƒź 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.

ďƒź 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 podrรก descubrir decenas de miles de pulsares, algunos de los cuales orbitarรกn agujeros negros. Estos sistemas proveerรกn los tests mรกs 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 SKA será un instrumento versátil,  Pulsares  Lentes gravitacionales multi-propósito,  Materia oscura  Masereslisto para esperar lo inesperado  Ondas gravitacionales  Los primeros planetas extra-solares

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• ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto?

• ¿ Cómo será?

• ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene Argentina?

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% antenas 30% computaci贸n 15% sistemas de radiofrecuencia 4% procesadores digitales de se帽ales (DSP) 22%

enlaces de fibra 贸ptica 9%

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• ¿ Quiénes llevan a cabo este proyecto?

• ¿ Cómo será?

• ¿ Dónde se lo instalará? ¿ Qué chances tiene Argentina?

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.

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

Metas de diseño Que opere entre: 0.1 y 25 GHz Campo de vista: 1 grado cuadrado a 1.4 GHz 200 ‫״‬ ‫״‬ a 0.7 GHz 4 campos de vista simultáneos Resolución angular: 0‫״‬.1 a 1.4 GHz 0‫״‬.2 a 0.7 GHz 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): Serรก un gran radiotelescopio orientable formado por unidades de 200 m de diรกmetro, construidas a base de paneles planos. La forma total del reflector serรก ajustada por computadoras. El receptor estarรก sostenido por un globo aerostรกtico 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 diรกmetro) aprovechando depresiones naturales (llamadas karst en chino), abundantes en la Prov. Guizhou en el sudoeste de China. Cada antena serรก tipo Arecibo pero con reflector activo y con un รกrea colectora mรกs de dos veces mayor.

San Juan Barreal blanco Observatorio CASLEO

Núcleo y región central

Cordón del Medio (2800 m)

Pampa del Peñasco (2650 m)

Sierra del Tontal (4368 m)

Cordón de los Naranjos (3225 m)

CASLEO (2550m)

Configuraci贸n asim茅trica de 5 brazos

Configuraci贸n asim茅trica de 5 brazos

Pacific Ocean

Bolivia

Uruguay

Atlantic Ocean

tolerancia de 10%

CASLEO

SITIO CENTRAL

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

Pampa del Peñasco

CASLEO

Pampa del Medio

Inversiones en el pais

Adquisicion de Construcciones tierras 10% 1% Trabajos en el sitio 11%

Fibra optica 25%

Adquisicion de tierras Fibra optica Potencia electrica Construccion de caminos Trabajos en el sitio

Construccion de caminos 31%

Potencia electrica 22%

Construcciones

N

W

Power (dBm)

Algunas mediciones de interferencias en radiofrecuencias

S

Frequency (MHz)

Visibilidad de las fuentes

Taurus

Ophiucus

Galactic Centre

h =30o

Chamaeleon

Visibility (hours)

h=

Elevation limit (h)=20o

25o

Declination

Source Visibility

Visibility (hours)

h=

Elevation limit (h)=20o

25o

h =30o

SMC LMC

195, 0o)

Galactic Plane

Declination

(~72%)

(54o, 0o)

Oportunidades de observaci贸n simult谩nea con grandes telescopios existentes o proyectados

Altitude limit of 30o

Visibility (hours)

贸pticos

SKA

radio

ALMA APEX CBI ASTE

Declination

CTIO ESO LCO SOAR VLT

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

Colaboradores geógrafos: Tareas de candidatura auspiciadas y financiadas por: Dra. Susana Sassone Tte. Cnel. Julio Benedetti Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva (SECYT) Lic. Darío Sanchez Consejo Nacional de InvestigacionesLic. Científicas Técnicas (CONICET) Brenda yMatosian Andrea Calligaro 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.

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