アレン望遠鏡アレイ

アレン望遠鏡アレイ

アレン望遠鏡アレイ (ATA-42)、2007 年 10 月 11 日。
別名	アタ
名前の由来	ポール・アレン
の一部	ハットクリーク電波天文台
場所	カリフォルニア州、太平洋諸州地域
座標	北緯40°49′04″ 西経121°28′24″ / 北緯40.8178° 西経121.4733° / 40.8178; -121.4733
組織	電波天文学研究所 SETI研究所
高度	986メートル（3,235フィート）
波長	60、2.7 cm（500、11,100 MHz）
望遠鏡スタイル	グレゴリアン望遠鏡 電波干渉計
望遠鏡の数	42
直径	6.1 m (20 フィート 0 インチ)
二次直径	2.4 m (7 フィート 10 インチ)
収集エリア	1,227 m 2 (13,210 平方フィート)
Webサイト	詳しくはこちら
アレン望遠鏡アレイの位置
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アレン望遠鏡アレイ（ATA）は、以前はワンヘクタール望遠鏡（1hT）として知られており、天文観測と地球外知的生命体探査（SETI）の同時探索に特化した電波望遠鏡 アレイです。^{[1] [2]}このアレイは、カリフォルニア州サンフランシスコの北東290マイル（470 km）にあるシャスタ郡のハットクリーク電波天文台に設置されています。

このプロジェクトはもともと、 SETI研究所とカリフォルニア大学バークレー校（UCバークレー）の電波天文学研究所（RAL）との共同作業として開発され、ポール・G・アレン・ファミリー財団とネイサン・マイアボルドによる最初の1250万ドルの寄付金から資金を得ました。^[3]ポール・アレン（マイクロソフトの共同創設者 ）が第1フェーズと第2フェーズの建設を支援するためにさらに1350万ドルを寄付した後、建設の第1フェーズが完了し、ATAは2007年10月11日に42のアンテナ（ATA-42）でようやく運用を開始しました。^{[4] [5]}

アレン社は総額3000万ドル以上をプロジェクトに寄付しているが、当初構想していた直径6.1メートル（20フィート）の皿350枚の建造には成功しておらず^[6]、プロジェクトは2011年4月から8月にかけて資金不足のために運用が中断されたが、その後観測が再開された。^{[7] [8] [9] [10]}その後、カリフォルニア大学バークレー校がプロジェクトから撤退し、2012年4月に投資撤退を完了した。現在、この施設は独立した非営利研究機関であるSRIインターナショナル（旧スタンフォード研究所）によって管理されている。^[11] 2016年現在、SETI研究所は ATAと共に毎日午後6時から午前6時まで 観測を行っている^{[12] 。}

2014年8月、この施設は地域の森林火災の危険にさらされ、一時的に閉鎖を余儀なくされたが、最終的にはほとんど無傷で済んだ。^[13]

SETIの先駆者であるフランク・ドレイクが最初に考案したこのアイデアは、SETI研究所の長年の夢でした。しかし、ポール・G・アレン・ファミリー財団による1,150万ドルの寄付を受けて、2001年初頭になってようやく研究開発が開始されました。2004年3月、3年間の研究開発フェーズが無事完了した後、SETI研究所は望遠鏡の3段階建設計画を発表しました。ポール・アレン（マイクロソフトの共同創設者）が第1フェーズと第2フェーズの建設を支援するために1,350万ドルを寄付したおかげで、建設はすぐに始まりました。SETI研究所はアレンに敬意を表してこの望遠鏡に名前を付けました。全体として、ポール・アレンはこのプロジェクトに3,000万ドル以上を寄付しました。

ATA は、電波望遠鏡を構築する上での「多数小口径」という概念の先駆けとなるセンチメートル波アレイです。大型のパラボラアンテナと比較すると、同じ集光面積であれば、多数の小型パラボラアンテナの方が安価です。同様の感度を得るには、すべての望遠鏡からの信号を組み合わせる必要があります。これには、これまで法外に高価だった高性能の電子機器が必要です。電子部品のコストが下がったため、必要な電子機器は実用的になり、従来の設計の望遠鏡に比べて大幅なコスト削減が実現しました。これは、非公式には「鋼鉄をシリコンに置き換える」と呼ばれています。

ATA には、幅広い科学的調査に適した 4 つの主要な技術的機能があります。非常に広い視野(水素線の波長 λ = 21 cm で 2.45° )、0.5 ～ 11.2ギガヘルツ(GHz)の完全な瞬間周波数カバレッジ 、複数の同時バックエンド、および能動的な干渉緩和です。瞬間的に画像化できる空の領域は、超大型干渉波望遠鏡で得られる領域の 17 倍です。4オクターブを超える瞬間周波数カバレッジは、電波天文学では前例のないもので、独自のフィード、入力増幅器、および信号パス設計の結果です。能動的な干渉緩和により、多くの地上の電波発信器の周波数でも観測が可能になります。

全天調査は科学プログラムの重要な部分であり、^{[説明が必要]}、ATAは地球外知的生命体探査（SETI）と他の電波天文学観測を同時に実施する能力によって効率性が向上する。望遠鏡は、最終処理の前に制御室で記録された信号を分割することによってこれを実現できる。同時観測が可能なのは、 SETIの場合、望遠鏡をどこに向けても、6メートルの皿によって得られる広い視野内に複数のターゲット星が存在するためである。カリフォルニア大学バークレー校電波天文学研究所（RAL）とSETI研究所の合意により、2012年までは従来の電波天文学のニーズによってアレイの向きが決定されていた。

ATA は 350 個の 6 メートルのパラボラアンテナで構成される予定で、これまでは実現不可能だった大規模で深い電波調査が可能になります。望遠鏡の設計には、ハイドロフォーム加工されたアンテナ表面、 500メガヘルツ(MHz) から 11.2 GHzの周波数範囲全体をカバーする ログ周期フィード、帯域全体にわたってフラットな応答を持つ低ノイズの広帯域増幅器など、多くの新機能が組み込まれているため、天空の信号を直接増幅できます。受信帯域幅全体を含むこの増幅信号は、光ファイバーケーブルを介して各アンテナから処理室に送られます。つまり、電子機器が改良され、より広い帯域幅が得られるようになった場合、アンテナやフィードを変更する必要はなく、中央プロセッサのみを変更すればよいことになります。

この装置は、2011年にアレイの開発が中断されるまで、RALによって運用および保守されていました。RALは、設計および試作中にSETI研究所と緊密に連携し、電波天文学観測用のフィード、アンテナ表面、ビームフォーミング、相関器、および画像システムの主要設計者でした。

天文学と天体物理学の10年計画調査の委員会は、第5回報告書「新千年紀の天文学と天体物理学」（2001年）で、SETIを支持し、ATA（当時は1ヘクタール望遠鏡と呼ばれていた）を平方キロメートルアレイ望遠鏡（SKA）の建設に向けた重要な足がかりとして認識した。最新の10年計画報告書では、 MeerKAT、水素再電離アレイ、マーチソン広視野アレイなど、SKAの前身プロジェクトへの米国の参加はあるものの、SKAに対する米国の財政支援を終了することを勧告した。

未完成のプロジェクトのコスト見積もりは常に疑わしいものであり、仕様も同一ではないが（例えば、従来の望遠鏡は雑音温度が低いが、ATAは視野が広い）、ATAは、与えられた有効口径に対してはるかに安価な電波望遠鏡技術として潜在的に有望である。例えば、技術開発を含むATA-42の最初のフェーズに費やされた金額は、同様の集光面積を持つディープスペースネットワーク34mアンテナの新しいコピーのコストのおよそ3分の1である。^[14]同様に、残りの308の皿を建造する推定総コストは（2007年10月現在^[update]）約4,100万ドルと見積もられた。^[4]これは、同様の集光面積を持つ米国で最後に建造された大型電波天文アンテナであるグリーンバンク望遠鏡の8,500万ドルのコストの約2倍安い。請負業者は2,900万ドルの超過を申請したが、そのうち400万ドルのみが認められた。^[15]

ATA は世界最大かつ最速の観測機器の 1 つとなり、天文学者が同時に多くの異なる目標星を探索できるようにすることを目指しています。当初の構想どおりに完成すれば、世界最大かつ最も強力な望遠鏡の 1 つとなるでしょう。

ATAは設立当初から、天文干渉計技術（具体的にはスクエアキロメートルアレイ）の開発ツール^{[説明が必要]}となってきました。 ^[16]

ATA は当初、ATA-42、ATA-98、ATA-206、ATA-350 の 4 段階で建設される予定でした。各数字は、特定の時点でアレイ内にあるアンテナの数を表しています (表 1 を参照)。ATA は、直径 6 m のアンテナ 350 個で構成される予定です。

42基のアンテナによる定期運用は2007年10月11日に開始されました。^[4] SETI研究所は現在、アメリカ海軍、国防高等研究計画局（DARPA）、国立科学財団（NSF）、民間寄付者など、さまざまな資金源から追加のアンテナを建設するための資金を募集しています。

天文観測とSETI観測の同時観測は、2台の32入力デュアル偏波 イメージング相関器を使用して行われます。^[17]従来の電波天文学観測を報告する多数の論文が発表されています。^{[18] [19] [20] [21]}

2007年6月には、バークレーエミュレーションエンジン2（BEE2）を利用した3台のフェーズドアレイビームフォーマー^[22]が配備され、天文観測とSETI観測を同時に行えるようにシステムに統合されました。^{[23] [24]} 2008年4月現在、ビームフォーマーと専用のパルサー分光計を使用して最初のパルサー観測が行われました。^[25]

主力の SETI 検索システム(SETI on ATA または SonATA)は、完全に自動化された SETI 観測を実行します。SonATA は、検出された信号をリアルタイムで追跡し、1) 信号が地球上で生成されたことが示されるか、まれに 2) ソースが設定され、翌日の追跡が開始されるまで追跡を続けます。2016 年現在、2 億を超える信号が ATA を使用して追跡および分類されています^[要出典]。これらの信号の 1 つに、ETI 信号に期待されるすべての特性が備わっているものはありません。SETI 研究所の観測結果は、多数の論文で発表されています。^{[26] [27] [28]}

2011年4月、ATAは資金不足のため休止状態となり、使用できなくなりました。^[29] ATAの運用は2011年12月5日に再開されました。 ^{[10]現在、ATAの取り組みは}アンドリュー・シーミオンが主導しています。^[30]

2012年、ATAはクアルコム社の共同設立者兼主任科学者であるフランクリン・アントニオ氏による360万ドルの慈善寄付によって資金提供を受けた。^[31]この寄付により、ATAのアンテナに搭載されたすべての受信機のアップグレードが可能になり、感度が以前よりも大幅に向上し（1～8GHzで2～10倍）、当初無線周波数電子機器が11GHzまでしか対応していなかったのに対し、1～15GHzのより広い周波数範囲で高感度な観測が可能になった。2016年7月までに、これらの受信機の最初の10台が設置され、実証された。2017年6月までに、42のアンテナすべてに完全に設置される予定である^[update]。^{[32] [更新が必要]}

2015年11月、ATAは異常な星KIC 8462852を調査しました。 ^{[33] [34]}また、2017年秋にはアレン望遠鏡アレイが星間小惑星 オウムアムアを調査して技術の兆候を探しましたが、異常な電波放射は検出されませんでした。^{[35] [36]}

以下に挙げる科学目標は、ATA で実施される最も重要なプロジェクトを表しています。これらの目標はそれぞれ、前述の 4 つの開発段階の 1 つに関連付けられています (表 1 を参照)。また、各目標で生み出されることが期待される科学成果の一部も挙げています。

• 3πステラジアンにわたってz ~ 0.2までの銀河の水素線(HI) 含有量を決定し、外部銀河にどれだけの銀河間ガスが集積しているかを測定し、暗く星のない銀河を探索し、スクエアキロメートルアレイによる暗黒エネルギー検出の基礎を築きます。
• 250,000 個の銀河系外電波源を活動銀河核またはスターバースト銀河として分類し、局所宇宙における星形成を調査および定量化し、高赤方偏移天体を特定し、宇宙の大規模構造を調査し、暗黒物質および暗黒エネルギー検出のための重力レンズ候補を特定します。
• ブラックホールへの降着を探査し、孤立したガンマ線バーストの残光を見つけ、新しい未知の一時的現象を発見するために、一時的な空を探索します。
• 1～ 10GHzの範囲内で、  300パーセクまでのアレシボレーダーを検出できるほどの感度で、1,000,000個の星のSETI関連の放射を調査します。
• 非常に強力な送信機を探すために、1.42～1.72GHzの内側の銀河面にある4×10 ^{10 個}の星を調査します。
• 星形成や銀河の形成と進化における磁場の役割を調べるために、天の川銀河やその他の局部銀河群の磁場を測定します。
• パルサータイミングを通じて巨大ブラックホールからの重力波背景を検出します。
• 新しい分子トレーサーを使用して分子雲と星形成の特性を測定し、巨大分子雲(GMC)全体の規模で星形成条件をマッピングし、天の川の金属量勾配を決定します。

アレイの建設が始まって以来、このアレイのために特別に策定されたわけではないいくつかの科学的目標が提案されてきた。

例えば、アレン望遠鏡アレイは、Google Lunar X Prizeの参加者に月面観測データのダウンリンクを提供することを申し出ている。^[37]これは現実的である。なぜなら、アレイは改造なしで主要な宇宙通信帯域（SバンドとXバンド）をカバーするからである。追加で必要なのはテレメトリデコーダーだけである。

また、ATAは新しいタイプの電波過渡現象の探索の候補として挙げられた。^[38]視野が広く、瞬時帯域幅が広いため、この目的には最適である。この提案を受けて、アンドリュー・シエミオンと天文学者とエンジニアの国際チームは、ATAが明るい電波過渡現象を探索できるように「フライズアイ」と呼ばれる機器を開発し、2008年2月から4月にかけて観測が行われた。^[39]

ATA-42 構成では、最大 300 m のベースラインが提供されます (ATA-350 では最終的には 900 m)。各アンテナの冷却ログ周期フィードは、1～10 GHz で約 45K のシステム温度を提供するように設計されており、0.5～1.0 GHz および 10～11.2 GHz の範囲では感度が低下します。4 つの独立した周波数チューニング (IF) が利用可能で、4 x 672 MHz の中間周波数帯域を生成できます。2 つの IF はイメージング用の相関器をサポートし、2 つはSETI観測をサポートします。すべてのチューニングで、4 つのデュアル偏波フェーズド アレイビームを生成できます。これらのビームは、プライマリ ビーム内で独立して向けることができ、さまざまな検出器で使用できます。したがって、ATA は最大 32 のフェーズド アレイ ビームを合成できます。

ATA の広い視野は、大規模調査において比類のない能力を発揮します (図 4)。広い領域を所定の感度にマッピングするために必要な時間は ( ND ) ²に比例します。ここで、Nは要素数、D はパラボラアンテナの直径です。このことから、大規模な調査では、小さなパラボラアンテナの大規模なアレイの方が、要素数は少ないが収集領域がかなり広いアレイよりも優れた性能を発揮するという驚くべき結果が得られます。その結果、ATA-42 でも、輝度温度と点光源調査の両方において、はるかに大きな望遠鏡と競合できます。点光源調査の場合、ATA-42 の速度はアレシボ望遠鏡やグリーンバンク望遠鏡(GBT) に匹敵しますが、超大型干渉波アレイ(VLA) の 3 倍の速度です。一方、ATA-350 は、点光源調査では超大型干渉波アレイよりも 1 桁高速で、調査速度では拡張超大型干渉波アレイ(EVLA) に匹敵します。指定された輝度温度感度までの調査では、ATA-98 は VLA-D 構成の調査速度さえも上回ります。ATA-206 は、アレシボと GBT の輝度温度感度に匹敵するはずです。ただし、ATA はこれらの単一皿望遠鏡のいずれよりも優れた解像度を提供します。

ATA のアンテナは、6.1 x 7.0 メートル (20.0 フィート x 23.0 フィート)のハイドロフォームオフセットグレゴリアン望遠鏡で、それぞれに 2.4 メートルのサブリフレクタがあり、有効焦点距離/直径 (f/D) 比は 0.65 です (DeBoer、2001 を参照)。オフセット形状により妨害がなくなり、効率が向上し、サイドローブが減少します。また、大きなサブリフレクタが可能になり、低周波性能が向上します。これらの表面の製造に使用されるハイドロフォーム技術は、アイダホ州アイダホフォールズの Andersen Manufacturing が低コストの衛星リフレクタを製造するために使用する技術と同じです。独自の内部フレームリムサポートコンパクトマウントにより、低コストで優れた性能が得られます。駆動システムには、スプリング式パッシブアンチバックラッシュ方位駆動トレインが採用されています。ほとんどのコンポーネントは Matthew Fleming によって設計され、カリフォルニア州アンティオキアの Minex Engineering Corp. で製造されました。

他のアレイと同様に、膨大な量のセンサー情報を受信すると、保存するデータ量を削減するために、リアルタイムのアレイ処理能力が必要になります。ATA-256の場合、相関器の平均データレートと総データ量は、5年間の調査期間で100メガバイト/秒と15ペタバイトと推定されています。 ^[40]過渡調査などの実験では、このレートを大幅に上回ります。ビームフォーマーははるかに高いレート（8ギガバイト/秒（Gb/s））でデータを生成しますが、アーカイブされるのはこのデータのごく一部だけです。2009年、信号検出ハードウェアとソフトウェアはPreludeと呼ばれ、デジタル信号処理（DSP）とフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）チップに基づく2つのカスタムアクセラレータカードで強化されたラックマウント型PCで構成されていました。各プログラム可能検出モジュール（28台のPCのうちの1台）は、2MHzの二重偏波入力データを解析し、0.7Hzのスペクトル分解能と1.4秒の時間サンプルでスペクトルを生成することができる。^[40]

2009年、アレイは40Mbit /sのインターネット接続を備えており、リモートアクセスやATA-256のデータ製品の転送には十分でした。40Gbit /sへのアップグレードが計画されており、これによりオフサイトコンピューティング用の生データの直接配信が可能になりました。^[40]

他のアレイシステムと同様に、ATA には計算の複雑さとクロスコネクトがあり、アンテナの数に応じてO (N ² ) に比例します。たとえば、効率的な周波数乗算(FX)アーキテクチャと適度な 500 kHz チャネル幅 (チャネル数= 2200) を使用して、提案されている= 350 デュアル偏波アンテナ構築の ATA帯域幅全体 ( = 11 GHz) を相関させるために必要な計算量は、次のように表されます。^[41]${\displaystyle N}$${\displaystyle B}$${\displaystyle N}$${\displaystyle F}$

${\displaystyle 2B\langle N\log _{2}(F)(10OPs)+(N{\frac {N+1}{2}})\times 4(8OPs)\rangle }$= 1秒あたり 44ペタオペレーション

ここで、は演算です。各皿には二重偏波アンテナがあるため、各信号サンプルは実際には 2 つのデータ セットであることに注意してください。 ${\displaystyle Ops}$${\displaystyle 2B}$

ウィキメディア・コモンズには、アレン望遠鏡アレイに関連するメディアがあります。

• カール・セーガン研究所 – 居住可能な惑星の探索のための研究所
• 太陽系外惑星 – 太陽系外の惑星
• 電波望遠鏡の一覧
• SETI 研究所 – 非営利研究組織
• 地球外知的生命体の探査 - 地球外文明を発見する取り組み
• setiQuest  – SETI 研究所プロジェクトPages displaying wikidata descriptions as a fallback

• 公式サイト
• 「電波天文学研究所のATAサイト」。2006年9月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年11月16日閲覧。
• アレン望遠鏡アレイによる探査は続く。カリフォルニア州マウンテンビュー：SETI 研究所。2004 年 3 月 25 日。^{[リンク切れ‍ ]}
• カリフォルニア大学バークレー校電波天文学研究所：NSF提案、2005年6月15日。
• https://web.archive.org/web/20111006031806/https://setistars.org/
• カリフォルニア州アンティオキアの Minex Engineering Corporation