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低周波電波望遠鏡アレイ（LOFAR ）は、主にオランダにアンテナネットワークが設置され、2019年時点で他の7つのヨーロッパ諸国にも広がっている大型電波望遠鏡です。オランダ電波天文学研究所（ASTRON）によって設計・建設され、2010年にオランダのベアトリクス女王によって初めて開所されました。以来、当初は国際LOFAR望遠鏡（ILT）パートナーシップ、現在はASTRONによるLOFAR ERICの代理としてASTRONによって運営されています。
LOFARは、最新のコンセプトを採用した無指向性アンテナの大規模なアレイで構成されています。従来のアレイアンテナとは異なり、個々のアンテナからの信号は電気的に直接接続されて単一の大きなアンテナとして機能するのではなく、LOFARのダイポールアンテナ（2種類）がステーションに分散配置されています。各ステーションでは、アンテナ信号はアナログ回路で部分的に合成され、デジタル化された後、ステーション全体で再び合成されます。この段階的なアプローチにより、アンテナステーションの指向性感度を柔軟に設定し、迅速に変更できます。すべてのステーションからのデータは光ファイバーを介して中央のデジタルプロセッサに伝送され、ソフトウェアで合成されて、ヨーロッパ全域のアンテナステーション間の最大距離に対応する分解能を持つ従来の電波望遠鏡のパラボラアンテナをエミュレートします。
LOFARは、2019年以来52のステーションに集中している約20,000個の小型アンテナを使用する干渉計アレイです。これらのステーションのうち38はオランダ全土に分散しており、地域および国の資金で建設されています。ドイツの6つのステーション、ポーランドの3つのステーション、フランス、イギリス、アイルランド、ラトビア、スウェーデンの各1つのステーションは、さまざまな国、地域、地方の資金と所有権によって運営されています。 イタリアは2018年に国際LOFAR望遠鏡（ILT）に正式に参加しました。ボローニャ近郊のメディチーナにあるINAF天文台の建設は、アップグレードされた（いわゆるLOFAR2.0）ハードウェアが利用可能になり次第計画されています。[ 1 ] 他のヨーロッパ諸国のステーションはさまざまな段階で計画されています。有効集光面積の合計は、周波数とアンテナ構成によって異なりますが、約300,000平方メートルです。[ 2 ] 2014年までは、データ処理はオランダのフローニンゲン大学にあるBlue Gene/Pスーパーコンピュータによって行われていました。2014年以降、LOFARはGPUベースの相関器およびビームフォーマーであるCOBALTをそのタスクに使用しています。[ 3 ] LOFARは、スクエアキロメートルアレイの技術および科学の先駆者でもあります。
LOFARは、250MHz以下の電波周波数での天体観測の感度を飛躍的に向上させるための革新的な取り組みとして構想されました。天体電波干渉計は通常、放物面アンテナ のアレイ（例：ワンマイル望遠鏡や超大型電波望遠鏡アレイ）、一次元アンテナのアレイ（例：モロングロ天文台合成望遠鏡）、または全方向アンテナの二次元アレイ（例：アントニー・ヒューイッシュの惑星間シンチレーションアレイ）のいずれかで構成されています。
LOFARは、これらの初期の望遠鏡の多くの側面を組み合わせています。特に、個々のステーションでフェーズドアレイの要素として全方向性ダイポールアンテナを使用し、 1950年代に開発された開口合成技術を使用してそれらのフェーズドアレイを組み合わせます。初期のケンブリッジ低周波合成望遠鏡（CLFST）低周波電波望遠鏡と同様に、LOFARの設計は、可動部品のない比較的安価なアンテナを多数使用することに重点を置いており、ステーションに集中させ、マッピングは開口合成ソフトウェアを使用して実行されます。ステーションの観測方向（「ビーム」）は、アンテナ間の位相遅延によって電子的に選択されます。LOFARは、集約されたデータレートが上限内に収まる限り、複数の方向を同時に観測できます。これにより、原理的にはマルチユーザー運用が可能になります。[ 4 ]
LOFARは、10 MHzから240 MHzの周波数範囲で、10～80 MHzと120～240 MHzにそれぞれ最適化された低帯域アンテナ（LBA）と高帯域アンテナ（HBA）の2種類のアンテナを使用して観測を行います。[ 5 ] LOFARステーションからの電気信号はデジタル化され、中央デジタルプロセッサに送られ、ソフトウェアで結合されて空の地図が作成されます。したがって、LOFARは「ソフトウェア望遠鏡」です。[ 6 ]このような望遠鏡のコストは電子機器のコストが大部分を占めるため、ムーアの法則に従って、時間の経過とともに安価になり、ますます大きな望遠鏡を建設できるようになります。各アンテナはかなり単純ですが、LOFARアレイには約20,000個のアンテナがあります。[ 4 ]
十分な解像度で空の電波調査を行うために、アンテナは直径 1000 km を超える範囲に広がるクラスター状に配置されています 。オランダの LOFAR 局は、約 100 km の基線に達します。LOFAR は現在、24 のコア局 ( Exloo内)、オランダの 14 の「リモート」局、および 14 の国際局からデータを受信しています。コア局とリモート局はそれぞれ 48 個の HBA と 96 個の LBA、および合計 48 個のデジタル受信ユニット (RCU) を備えています。国際局は 96 個の LBA と 96 個の HBA、および合計 96 個のデジタル受信ユニット (RCU) を備えています。[ 7 ]
国際LOFAR観測所の所在地は以下のとおりです。
ナンセーLOFARアップグレード新拡張施設（NenuFAR）は、フランス中部にあるナンセー電波望遠鏡に併設されています。これはナンセーLOFAR局（FR606）の拡張であり、直径約400mの円形に配置された19個の交差ダイポールアンテナからなる「ミニアレイ」で構成される96個の低周波タイルが追加されています。タイルは、アナログ位相アンテナを備えた六角形のクラスターです。この望遠鏡は10～85MHzの無線周波数を捉えることができ 、LOFAR低帯域（30～ 80MHz）の範囲もカバーしています。NenuFARアレイは、高感度LOFAR互換スーパーLBA局（LSS）として機能し、LOFARの他の部分と連携してアレイの全体的な感度をほぼ2倍に高め、アレイの撮像能力を向上させることができます。また、アレイの可用性を向上させるための第2のスーパーコアとしても機能します。専用受信機を備えているため、NenuFARはスタンドアロン機器としても動作でき、このモードではNenuFAR/Standaloneとして知られています。[ 18 ] [ 19 ]
さらに、フィンランドのキルピスヤルヴィ近郊のKAIRA（キルピスヤルヴィ大気画像受信機アレイ）にはLOFARアンテナ群が設置されている。この設備は、スタンドアロンモードまたはトロムソのEISCAT送信機と連携したバイスタティックレーダーシステムの一部として、 VHF受信機として機能する。[ 20 ]
データ転送要件はステーションあたり毎秒数ギガビットの範囲であり、必要な処理能力は数十テラFLOPSです。LOFARからのデータはLOFAR長期アーカイブに保存されます。[ 21 ]アーカイブは分散ストレージとして実装されており、データはフローニンゲン大学のドナルド・スミッツ情報技術センター、アムステルダムのSURFsaraセンター、ドイツのユーリッヒ研究センターにあるターゲットデータセンターに分散されています。
LOFARの使命は、7Cや8Cサーベイ、超大型電波望遠鏡群（VLA）や巨大メートル波電波望遠鏡（GMRT）によるサーベイなど、これまでのサーベイよりも高い解像度と感度で、約10～ 240MHzの電波周波数帯で宇宙をマッピングすることです。
LOFARは、2020年代後半にスクエア・キロメートル・アレイ（SKA）が稼働するまで、低周波観測において最も感度の高い電波天文台であり続けるだろう。たとえSKAが稼働したとしても、観測周波数は50MHz以上に限られるため 、LOFARの角度分解能は依然として遥かに優れている。
LOFARで達成可能な感度と空間分解能は、宇宙に関するいくつかの根本的な新しい研究を可能にするだけでなく、地球環境に関する独自の実際的な調査も容易にします。以下のリストにおいて、zはLOFARによって観測された電波源の赤方偏移を示す無次元量です。
LOFARの最もエキサイティングだが技術的に最も難しい応用の1つは、再電離期（EoR）からの赤方偏移した21cm線放射の探索である。 [ 23 ]宇宙が中性になった再結合後の期間である「暗黒時代」は、z=20付近まで続いたと考えられている。WMAPの偏光結果は、再電離が長期間、あるいは複数回あった可能性を示唆しており、その開始はz~15~20付近で、終了はz~6付近である可能性がある。LOFARを使用すると、z=11.4（115MHz ）からz=6（200MHz ）までの赤方偏移範囲を調査できる。予想される信号は小さく、はるかに強い前景放射からそれを分離するのは困難である。
LOFARの最も重要な用途の1つは、広範囲の天体観測を行うことです。このような観測はLOFARの特性によく適しており、LOFARの発足以来、LOFARを推進してきた主要プロジェクトの1つとして指定されています。アクセス可能な空のLOFARによるこのような広範囲の観測は、大質量ブラックホール、銀河、銀河団の形成など、天体物理学のいくつかの基本的な分野を調査するための独自の電波源カタログを提供します。LOFARの観測は宇宙の未開拓のパラメータを調査するため、新しい現象を発見する可能性が高いです。2021年2月、天文学者たちは、LOFARによって検出された超低波長の電波に基づいて、北天の4%を占める25,000個の活動的な超大質量ブラックホールの非常に高解像度の画像を初めて公開しました。[ 24 ]
低周波、全方向アンテナ、高速データ伝送、コンピューティングの組み合わせにより、LOFARは電波天体の観測に新たな時代を切り開きます。オランダから見える全天（全天の約60%）の高感度電波マップを、たった一晩で作成することが可能になります。これまでの狭視野サーベイで示唆されていた過渡的な電波現象が発見され、前例のない精度で迅速に位置が特定され、他の施設（ガンマ線、光学、X線観測所など）のデータと自動的に比較されます。このような過渡的な現象は、爆発する星、ブラックホール、太陽のような星のフレア、系外惑星からの電波バースト、あるいはSETI信号と関連している可能性があります。[ 25 ]さらに、この重要な科学プロジェクトでは、低周波の電波パルサーの深層サーベイを実施し、遠方の銀河の回転する中性子星からの巨大な電波バーストの検出を試みます。
LOFARは、10⁻⁶から10⁻⁶のエネルギー範囲における高エネルギー宇宙線（HECR）および超高エネルギー宇宙線（UHECR）の起源を研究するための、素粒子物理学における他に類を見ない可能性を提供する。15 – 1020.5 eV。 [ 26 ]粒子を加速する場所とプロセスはどちらも不明です。これらの HECR の候補となる発生源としては、強力な電波銀河の電波ローブの衝撃波、銀河形成期に生成された銀河間衝撃波、いわゆるハイパーノバ、ガンマ線バースト、または初期宇宙の相転移から残ったトポロジカル欠陥からの超大質量粒子の崩壊生成物などが考えられます。主な観測対象は、一次宇宙線が大気に衝突して広範囲の空気シャワー (EAS) を生成するときに発生する強烈な電波パルスです。EAS は一次粒子の運動方向に沿って並び、その構成要素の大部分は地球磁気圏で電波放射 (例えば、地球シンクロトロン放射) を放出する電子-陽電子対で構成されています。
LOFARは、これまで未開拓であった、弱い磁場中の宇宙線電子から放出される低エネルギーシンクロトロン電波への窓を開きます。宇宙磁場の起源と進化についてはほとんど知られていません。銀河の周囲や銀河間の空間はすべて磁場を持っている可能性があり、LOFARはそのような領域からの微弱な電波放射を初めて検出するかもしれません。LOFARはまた、低周波電波の偏光面の回転であるファラデー効果を測定し、微弱な磁場を検出するための別のツールを提供します。[ 27 ]
太陽は強力な電波源である。6 Kの高温の太陽コロナには、フレアやコロナ質量放出（CME）といった太陽活動現象に伴う強烈な電波バーストが重畳しています。LOFARの周波数帯域における太陽電波は、コロナの中央部と上部から放出されます。そのため、LOFARは惑星間空間に向かうCMEの放出を研究するのに理想的な装置です。LOFARの画像化機能によって、そのようなCMEが地球に到達する可能性があるかどうかに関する情報が得られます。このことから、LOFARは宇宙天気研究にとって非常に有用な装置と言えます。
LOFARによる太陽観測には、宇宙天気の根源である太陽活動の定期的な監視が含まれます。さらに、LOFARの柔軟性により、太陽電波バーストへの迅速な対応と追跡観測が可能になります。太陽フレアは、非熱的な太陽電波放射の放出につながるだけでなく、X線を放出し、周囲のプラズマを加熱する高エネルギー電子を生成します。そのため、RHESSI、ひので、太陽力学観測衛星（SDO）、そして将来的には先進技術太陽望遠鏡やソーラーオービターなどの他の地上および宇宙ベースの機器との共同観測キャンペーンは、この基本的な天体物理学的プロセスに関する洞察を提供します。
1990年代初頭、オランダ電波天文学研究所（ASTRON）は、電波天文学における開口アレイ技術の研究を積極的に進めていた。同時に、ASTRONおよびオランダの大学では、低周波電波望遠鏡への科学的な関心が高まり始めた。1999年には実現可能性調査が実施され、国際的なパートナーが模索された。2000年、ASTRON理事会は、オランダのすべての大学の学部とASTRONの代表者からなるオランダLOFAR運営委員会を設立した。
2003年11月、オランダ政府はBsikプログラムに基づき、LOFARのインフラ整備資金として5200 万ユーロを拠出した。Bsikのガイドラインに従い、LOFARは地球物理学、コンピュータ科学、農業、そして天文学の研究を促進するための多分野にわたるセンサーアレイとして資金提供を受けた。
2003年12月、LOFARの初期試験局（ITS）が運用を開始しました。ITSシステムは60個の逆V字型ダイポールアンテナで構成されており、各ダイポールアンテナは低雑音増幅器（LNA）に接続されています。LNAは、受信信号を110m （360フィート）の同軸ケーブルを通して受信ユニット（RCU）まで伝送するのに十分な増幅能力を提供します。
2005年4月26日、LOFARのデータ処理のために、フローニンゲン大学の数学センターにIBM Blue Gene/Lスーパーコンピュータが設置された。当時、これはバルセロナのMareNostrumに次いでヨーロッパで2番目に強力なスーパーコンピュータだった。[ 28 ] 2014年以降、COBALTと呼ばれるさらに強力なコンピューティングクラスタ（相関器）が、すべての個々のステーションからの信号の相関を実行している。[ 29 ]
2006 年 8 月/9 月、最初の LOFAR ステーション (コア ステーション CS001、別名CS1 52°54′32″N 6°52′8″E / 52.90889°N 6.86889°E / 52.90889; 6.86889 ) が試作ハードウェアを使用して現場に設置されました。合計 96 個のデュアル ダイポール アンテナ (完全な LOFAR ステーションに相当) が 4 つのクラスターにグループ化されており、中央のクラスターには 48 個のダイポールがあり、他の 3 つのクラスターにはそれぞれ 16 個のダイポールがあります。各クラスターのサイズは約100 m (330フィート)です。クラスターは直径約 500 m の範囲に分布しています。
2007年11月、エッフェルスベルク100m電波望遠鏡の隣に最初の国際LOFAR局（DE601 ）が最初の運用局となった。LOFARコアの端にある最初の完全な局（ CS302）は2009年5月に納入され、合計40のオランダの局が2013年に完成する予定だった。2014年までに、オランダの38局、ドイツの5局（エッフェルスベルク、タウテンブルク、ウンターヴァイレンバッハ、ボルニム/ポツダム、ユーリッヒ）、英国（チルボルトン）、フランス（ナンセー）、スウェーデン（オンサラ）の各1局が運用されていた。アイルランドのバーの局は2017年に追加された。 [ 30 ]
LOFARは2010年6月12日にオランダのベアトリクス女王によって正式に開所されました。[ 31 ]定期的な観測は2012年12月に開始されました。