低周波アレイ

低周波アレイ

オランダ、エクスロー近郊の LOFAR コア。左側の 2 つの橋がそのスケール感を伝えます。
別名	低周波アレイ
場所	オランダ、エクスローの北3km （中心）
座標	北緯52°54′32″ 東経6°52′08″ / 北緯52.90889° 東経6.86889° / 52.90889; 6.86889
組織	アストロン
波長	30～1.3m（無線）
構築済み	2006–2012
望遠鏡スタイル	合計約20,000個のダイポールアンテナのフェーズドアレイ
直径	1000km以上
収集エリア	最大1 km 2
焦点距離	該当なし
取り付け	修理済み
Webサイト	詳しくはこちら
低周波アレイの位置
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低周波アレイ（LOFAR ）は、アンテナネットワークが主にオランダにあり、2019年現在、他の7つのヨーロッパ諸国に広がっている大型の電波望遠鏡です。もともとオランダ電波天文学研究所（ASTRON）によって設計および構築され、2010年にオランダのベアトリクス女王によって最初に公開され、それ以来、ASTRONによる国際LOFAR望遠鏡（ILT）パートナーシップに代わって運用されています。

LOFAR は、最新の概念を採用した無指向性無線アンテナの広大なアレイで構成されており、ほとんどのアレイ アンテナとは異なり、個別のアンテナからの信号が直接電気的に接続されて 1 つの大きなアンテナとして機能することはありません。代わりに、LOFAR ダイポール アンテナ (2 種類) がステーションに分散されており、その中でアンテナ信号はアナログ エレクトロニクスで部分的に結合され、次にデジタル化されて、ステーション全体で再び結合されます。この段階的なアプローチにより、アンテナ ステーションの天空の方向感度の設定と迅速な変更に大きな柔軟性がもたらされます。すべてのステーションからのデータは、その後、ファイバー経由で中央デジタル プロセッサに転送され、ソフトウェアで結合されて、ヨーロッパ全体のアンテナ 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皿をエミュレートします。したがって、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アレイです。これらのステーションのうち 38 は、地域および国の資金で建設され、オランダ全土に分散しています。ドイツに6つのステーション、ポーランドに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、スウェーデンに各1つのステーションがあり、国、地域、地方の資金と所有権はさまざまです。イタリアは2018年に正式に国際LOFAR望遠鏡（ILT）に加わりました。ボローニャ近郊のメディチナにあるINAF観測所のサイトで、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、建設が計画されています。^[1]他のヨーロッパ諸国のさらなるステーションは、さまざまな段階で計画されています。周波数とアンテナの構成に応じて、有効収集エリアの合計は約300,000平方メートルです。^{[2] 2014年まで、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ーによって実行されました。2014年以降、LOFARはそのタスクにGPUベースの相関器およびビームフォーマーであるCOBALTを使用しています。^{[3] LOFARは}スクエアキロメートルアレイの技術と科学の先駆者でもあります。

LOFAR は、250 MHz 未満の無線周波数での天文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考案されました。天文電波干渉計は通常、放物面アンテナのアレイ(例:ワンマイル望遠鏡または超大型アレイ)、1 次元アンテナのアレイ (例:モロンゴ天文台合成望遠鏡)、または全方向性アンテナの 2 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たものです。特に、個々のステーションで全方向性ダイポール アンテナをフェーズド アレイの要素として使用し、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 アレイを結合します。以前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、可動部品のない多数の比較的安価なアンテナをステーションに集中して使用することに重点を置いており、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 レートが上限を超えない限り、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操作が可能になります。^[4]

LOFAR は、10 MHz から 240 MHz の周波数範囲で、それぞれ 10～80 MHz と 120～240 MHz に最適化されている低帯域アンテナ (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 プロセッサに転送され、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主に電子機器のコストによって決まり、したがって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]

十分な解像度で天空の電波調査を行うために、アンテナは直径1000 km以上のエリアに広がるクラスター状に配置されている。オランダのLOFARステーションは、約100 kmの基線に達する。LOFARは現在、24のコアステーション（エクスロー）、オランダの14の「リモート」ステーション、および14の国際ステーションからデータを受信して​​いる。コアステーションとリモートステーションにはそれぞれ48のHBAと96のLBAがあり、合計48のデジタル受信機ユニット（RCU）がある。国際ステーションには96のLBAと96のHBAがあり、合計96のデジタル受信機ユニット（RCU）がある。^[7]

国際 LOFAR ステーションの所在地は次のとおりです。

• ドイツ^[8]
  • エッフェルスベルク–マックス・プランク電波天文学研究所が運営、エッフェルスベルク電波望遠鏡の敷地内^[9]
  • ウンターヴァイレンバッハ/ガーヒング–マックス・プランク天体物理学研究所が運営
  • タウテンブルク–テューリンゲン州立天文台の跡地^[10]
  • ポツダム＝ボルニム –ポツダム天体物理学研究所が運営
  • ユーリッヒ–ボーフム大学、ブレーメンのヤコブス大学、ユーリッヒ教育センターが運営
  • ノルダーシュテット –ハンブルガー・シュテルンヴァルテとビーレフェルト大学が運営^[11]
• イギリス^[12]
  • チルボルトン–チルボルトン天文台の跡地
• フランス^[13]
  • ナンサイ–ナンサイ電波望遠鏡の敷地
• スウェーデン^[14]
  • オンサラ–オンサラ宇宙観測所のサイト^[15]
• ポーランド
  • バウディ–オルシュティンのヴァルミア・マズリ大学が運営
  • ボロヴィエツ–ポーランド科学アカデミーの宇宙研究センターが運営
  • Łazy –ヤゲウォ大学が運営
• アイルランド
  • ビア–ダブリン大学トリニティ・カレッジがビア城敷地内のロッセ天文台で運営^[16]
• ラトビア
  • ヴェンツピルス –イルベーネのヴェンツピルス国際電波天文学センターの敷地内
• イタリア – メディチナ天文台の跡地に計画中^[1]
• ブルガリア – ロジェン国立天文台の跡地に建設予定^[17]

NenuFAR 望遠鏡は、ナンチャイ電波望遠鏡に併設されています。これはナンチャイ LOFAR ステーション (FR606) の拡張版で、直径約 400 m の円状に分布する 19 個の交差ダイポール アンテナの「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、10～85 MHz の範囲の無線周波数を捕捉でき、LOFAR 低帯域 (30～80 MHz) の範囲もカバーします。NenuFAR アレイは、高感度 LOFAR 互換スーパー LBA ステーション (LSS) として機能し、LOFAR の残り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、アレイの画像化機能を改善します。また、アレイの可用性を向上させるために、2 番目のスーパーコアとして機能することもできます。 NenuFARは専用受信機を搭載しているため、スタンドアロン機器としても動作し、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ビ近郊にあるKAIRA（キルピスヤルビ大気画像受信機アレイ）にはLOFARアンテナ一式が配備されている。この設備は、スタンドアロンモードでVHF受信機として機能するか、トロムソのEISCAT送信機と組み合わせたバイスタティックレーダーシステムの一部として機能している。^[20]

データ転送要件はステーションあたり数ギガビット/秒の範囲で、必要な処理能力は数十テラフロップスです。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にあるターゲットデータセンター、アムステルダムのSURFsara  [nl]センター、ドイツのユーリッヒ研究センターに分散されています。

LOFARの使命は、7Cおよび8C調査、超大型干渉電波望遠鏡（VLA）および巨大メートル波電波望遠鏡（GMRT）による調査などの以前の調査よりも高い解像度と感度で、約10〜240MHzの無線周波数で宇宙の地図を作成することです。

LOFAR は、2020 年代後半にSquare Kilometre Array (SKA) が稼働するまで、低い観測周波数で最も感度の高い電波観測所となります。稼働してからも、SKA は 50 MHz を超える周波数でしか観測を行わないため、LOFAR の角度分解能ははるかに優れています。

LOFAR で達成できる感度と空間解像度により、宇宙に関するいくつかの基礎的な新しい研究が可能になるとともに、地球環境に関する独自の実用的な調査も促進されます。次のリストで、zはLOFAR が観測した電波源の 赤方偏移を示す無次元量です。

• 非常に遠い宇宙 ( 6 < z < 10 ) では、LOFAR は中性水素の再イオン化によって生成されるシグネチャを探索できます。この重要な相変化は、最初の星と銀河の形成の時代に発生すると予測されており、いわゆる「暗黒時代」の終わりを示しています。再イオン化が発生すると考えられる赤方偏移により、1420.40575 MHz にある中性水素の 21 cm 線がLOFAR 観測ウィンドウにシフトします。現在観測されている周波数は、1/(z+1) の係数で低くなります。
• LOFAR は、遠方の「形成期」宇宙 ( 1.5 < z < 7 ) において、最も遠方の巨大銀河を検出することができ、宇宙の最も初期の構造 (銀河、銀河団、活動核) が形成される過程を研究し、銀河間ガスを調査します。
• 磁気宇宙において、LOFAR は、私たちの銀河や近隣の銀河、銀河団、銀河間媒体における宇宙線と地球規模の磁場の分布をマッピングしています。
• 高エネルギー宇宙を観測するLOFARは、地球の大気圏を突き抜ける超高エネルギー宇宙線を検出します。この目的のための専用試験ステーションであるLOPESは、2003年から運用されています。
• LOFARは天の川銀河内で、太陽から数kpc以内の多くの新しいパルサーを検出し、恒星の合体やブラックホールの集積によって生じる短寿命の一時的な現象を探索し、木星のような太陽系外惑星からのバーストを探索する予定です。^[22]
• 太陽系内では、LOFAR は太陽からのコロナ質量放出を検出し、太陽風の大規模マップを継続的に提供します。太陽の天気とそれが地球に与える影響に関するこの重要な情報は、費用がかさみ、損害を与える磁気嵐の予測に役立ちます。
• LOFARは、地球の周辺環境において、電離層の不規則性を継続的にマッピングし、遠方のガンマ線バーストの電離効果や、起源が不明な最高エネルギー宇宙線から発生すると予測される閃光を検出する。
• LOFAR は、新しいスペクトルの窓を探索することで、思いがけない 発見をする可能性が高い。新しい種類の物体や新しい天体物理現象の検出は、スペクトルの新しい領域を開拓したり、感度などの機器パラメータを 1 桁以上押し上げたりするほぼすべてのこれまでの施設から得られた結果である。

LOFARの最もエキサイティングでありながら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21 cm線放射の探索です。 ^[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頃まで続いたと考えられています。WMAP偏光結果は、再電離の延長された、あるいは複数の段階があった可能性を示唆しているようで、始まりはおそらくz〜15〜20で、終わりはz〜6です。LOFARを使用すると、z = 11.4（115 MHz）からz = 6（200 MHz）までの赤方偏移範囲を調べることができます。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切り離すのは困難です。

LOFARの最も重要な用途の1つは、大空の調査を行うことです。このような調査は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つに指定されています。アクセス可能な空のこのような深いLOFAR調査は、巨大なブラックホール、銀河、銀河団の形成など、天体物理学のいくつかの基本領域を調査するための電波源のユニークなカタログを提供します。LOFAR調査は宇宙の未踏のパラメータを調査するため、新しい現象が発見される可能性があります。2021年2月、天文学者は、LOFARによって検出された超低周波電波に基づいて、北天半球の4％をカバーする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、全方向性アンテナ、高速データ転送、コンピューティングの組み合わせにより、LOFAR は電波天空の監視における新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一晩で作成することが可能になります。これまでの狭い範囲の調査では示唆されるだけだった一時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。このような一時的な現象は、爆発する星、ブラックホール、太陽のような星のフレア、太陽系外惑星からの電波バースト、さらにはSETI信号に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、低い無線周波数で電波}パルサーを詳細に調査し、遠方の銀河で回転する中性子星からの巨大な電波バーストを検出しようとします。

LOFARは、10から1000万のエネルギー範囲にある高エネルギー宇宙線と超高エネルギー宇宙線（HECRとUHECR）の起源を研究するための、素粒子物理学におけるユニークな可能性を提供します。¹⁵～10^20.5 eV。 ^[26]粒子が加速される場所とプロセスは両方とも不明です。これらの HECR の発生源として考えられるのは、強力な電波銀河の電波ローブ内の衝撃波、銀河形成期に作られた銀河間衝撃波、いわゆる超新星、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です。主な観測量は、主要な CR が大気圏に衝突して大規模な空気シャワー (EAS) を発生させるときに生成される強力な電波パルスです。EAS は主要な粒子の運動方向に沿って整列し、その成分の大部分は地球の磁気圏内で電波を放出する電子陽電子対(例えば、地球シンクロトロン放射) で構成されています。

LOFARは、弱い磁場中の宇宙線電子から放射される、これまで未探査だった低エネルギーシンクロトロン電波への窓を開く。宇宙磁場の起源と進化についてはほとんどわかっていない。銀河の周囲と銀河間の空間はすべて磁気を帯び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検出する最初のものとなるかもしれない。LOFARは、低周波電波の偏光面の回転であるファラデー効果も測定し、弱い磁場を検出する別のツールを提供する。^[27]

太陽は強力な電波源です。10⁶ K の高温の太陽コロナには、フレアやコロナ質量放出(CME)などの太陽活動の現象に関連する強力な電波バーストが重なっています。LOFAR 周波数範囲の太陽電波放射は、中部および上部コロナで放射されます。そのため、LOFAR は、惑星間空間に向かう CME の発射を研究するのに理想的な機器です。LOFAR の画像化機能により、そのような CME が地球に衝突するかどうかに関する情報が得られます。そのため、LOFAR は宇宙天気研究にとって貴重な機器です。

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、追跡観測による太陽電波バーストへの迅速な対応が可能になります。太陽フレアは、非熱太陽電波放射の放出につながるエネルギー電子を生成します。電子は X 線も放出し、周囲のプラズマを加熱します。そのため、RHESSI、ひので、太陽観測衛星 (SDO)、そして最終的には先端技術太陽望遠鏡と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により、この基本的な天体物理学的プロセスに関する洞察が得られます。

1990 年代初頭、電波天文学用のアパーチャ アレイ技術の研究が、オランダ電波天文学研究所(ASTRON ) によって活発に進められていました。同時に、低周波電波望遠鏡に対する科学的関心が ASTRON とオランダの大学で高まり始めました。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ました。2000 年には、オランダの大学部門と ASTRON の関係者全員からなるオランダ LOFAR 運営委員会が ASTRON 理事会によって設立されました。

2003 年 11 月、オランダ政府は Bsik プログラムのもと、LOFAR のインフラストラクチャに 5,200 万ユーロの資金を割り当てました。Bsik のガイドラインに従い、LOFAR は地球物理学、コンピューター科学、農業、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ました。

2003 年 12 月、LOFAR の初期テスト ステーション (ITS) が運用を開始しました。ITS システムは 60 個の逆 V 字型ダイポールで構成され、各ダイポールは低ノイズ アンプ(LNA) に接続され、受信信号を十分に増幅して 110 m の同軸ケーブルで受信ユニット (RCU) に伝送します。

2005年4月26日、LOFARのデータ処理のために、 IBM Blue Gene/Lスーパーコンピュータがフローニンゲン大学の数学センターに設置されました。当時、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でした。^[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ー（相関器）がすべての個別のステーションからの信号の相関を行っています。^[29]

2006 年 8 月/9 月に、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 です。クラスターは直径約 500 m の領域に分散されています。

2007年11月、エッフェルスベルク100m電波望遠鏡の隣にある最初の国際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に完成した局（ CS302）は2009年5月に納品され、合計40のオランダ局が2013年に完成する予定である。2014年までに、オランダで38局、ドイツで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（ナンチャイ）、スウェーデン（オンサラ）で各1局が運用された。

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設されました。^[30]定期的な観測は2012年12月に開始されました。^[要出典]

• ASKAP : オーストラリア平方キロメートルアレイパスファインダー
• 巨大メートル波電波望遠鏡
• 長波長アレイ（LWA）
• LORUN : LOFAR at Radboud University Nijmegen
• MeerKAT : カルーアレイ望遠鏡
• マーチソン広視野アレイ(MWA)
• 再イオン化の時代を探る精密アレイ
• ウクライナの低周波T字型電波望遠鏡

ウィキメディア・コモンズには、 LOFARに関連するメディアがあります。

• LOFARウェブサイト
• LOFAR 国別サイト: ドイツ – 英国 – スウェーデン – フランス – ポーランド – アイルランド – フィンランド

• ASTRONウェブサイト
• 調査主要科学プロジェクト
• トランジェントキーサイエンスプロジェクト
• 再イオン化の時代 主要科学プロジェクト
• 太陽物理学と宇宙天気の主要科学プロジェクトは、2018-09-29にWayback Machineにアーカイブされました
• 宇宙磁気主要科学プロジェクト
• 駅の可能性のある場所を示すインタラクティブマップ
• LOFAR-UKステーションのガイド付きツアー
• 宇宙再イオン化の源を探るプローブとしての LOFAR。(プレプリント: astro-ph/0412080)
• 新しい低周波電波望遠鏡 LOFAR。(プレプリント: astro-ph/0309537)
• LOFAR: 低周波電波観測用の新しい電波望遠鏡: 科学とプロジェクトの状況。(プレプリント: astro-ph/0307240)
• 平方キロメートルアレイ（Scholarpediaの記事）。[1]
• Das Square Kilometer Array (ドイツ語)、Sterne und Weltraum 2006 年 9 月からの再版。 mpifr-bonn.mpg.de