ミーアキャット

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	Creamer Media の Shannon O'Donnell が、Engineering News のシニア寄稿編集者 Keith Campbell に MeerKAT 電波望遠鏡について語ります。2009 年 4 月 24 日

ミーアキャット
	MeerKAT、南アフリカ望遠鏡
別名	カルーアレイ望遠鏡
の一部	南アフリカ電波天文台; 平方キロメートルアレイ
場所	ミーアキャット国立公園、カルー・フーグランド地方自治体、ナマクワ地区自治体、北ケープ州、南アフリカ
座標	南緯30°42′48″ 東経21°26′35″ / 南緯30.71322° 東経21.44306° / -30.71322; 21.44306
組織	科学イノベーション省; 国立研究財団
波長	3 cm (10.0 GHz)～30 cm (1,000 MHz)
初光	2016年7月16日
望遠鏡スタイル	電波干渉計
望遠鏡の数	64
直径	13.5 m (44 フィート 3 インチ)
収集エリア	9,000 m 2 (97,000 平方フィート)
Webサイト	サラオ
	MeerKATの所在地
	コモンズの関連メディア
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MeerKAT は、元々はKaroo Array Telescope と呼ばれ、南アフリカの北ケープ州にあるミーアキャット国立公園にある 64 基のアンテナで構成された電波望遠鏡です。2003 年に南アフリカは、アフリカにSquare Kilometre Array (SKA) 電波望遠鏡を設置する意向表明書を提出し、現地で設計・構築された MeerKAT が SKA の第一段階に組み込まれました。MeerKAT は 2018 年に打ち上げられました。

MeerKATは、同じく南アフリカにある水素再電離アレイ（HERA）、西オーストラリアにある2つの電波望遠鏡、オーストラリアSKAパスファインダー（ASKAP）とマーチソン広視野アレイ（MWA）とともに、最終的なSKAの前身となる4つの望遠鏡のうちの1つです。

歴史

MeerKATは、水素再電離期アレイ（HERA）、オーストラリアSKAパスファインダー（ASKAP）、マーチソン広視野アレイ（MWA）と同様に、SKAミッドアレイの前身です。^[1]

説明

カルー地方の SKA 敷地内にあり、SKA-mid の技術と科学の先駆者です。南アフリカ電波天文台と南アフリカの産業界のエンジニアによって設計され、ハードウェアとソフトウェアのほとんどは南アフリカで調達されました。直径 13.5 メートルの極低温受信機を備えた 64 本のアンテナで構成されています。アンテナには 4 つの受信機の位置があり、3 つの空き位置のうち 1 つはマックスプランク電波天文学研究所(MPIfR) から提供された S バンド受信機で埋められます。アレイ構成では、アンテナの 61% が直径 1 km の円内に配置され、残りの 39% が半径 4 km に分散されています。^[要出典]

受信機の出力はアンテナで直ちにデジタル化され、デジタルデータストリームは埋設光ファイバーを介して Karoo Array Processor Building (KAPB) に転送されます。アンテナ信号は、相関器/ビームフォーマー (CBF) デジタル信号プロセッサによって処理されます。CBF からのデータは、サイエンスプロセッサコンピュータクラスターとディスクストレージモジュールに渡されます。MeerKAT アンテナデータは、パルサーおよび高速電波バースト (FRB) 検索エンジン、高精度パルサータイミングシステム、SETI 信号プロセッサなど、CBF を介してユーザー提供の多数のデジタルバックエンドでも利用できます。時間および周波数基準 (TFR) システムは、デジタイザーおよびその他の望遠鏡サブシステムに必要なクロックと絶対時間信号を提供します。この TFR システムは、2 つの水素メーザークロック、2 つのルビジウム原子時計、高精度水晶発振器、および UTC との時刻転送用の GNSS 受信機システムセットで構成されています。^[要出典]

KAPB にある大規模なコンピューティングおよびデジタル信号処理システムは、機器からの無線信号が敏感な無線受信機に干渉するのを防ぐために、大きなシールドチャンバー (またはファラデーケージ) に収容されています。KAPB 自体は、追加の無線周波数干渉 (RFI) 保護を提供し、温度安定性を提供するために、部分的に地表下に埋め込まれています。KAPB には、サイト全体に無停電電源を供給する 3 つのディーゼルロータリー UPS ユニットを含む、サイト全体の電力調整施設も収容されています。^[2]

長距離光ファイバーは、KAPB から高性能コンピューティングセンター (CHPC) とケープタウンの SARAO オフィスにデータを転送し、ケープタウンの SARAO 運用センターへの制御および監視リンクを提供します。望遠鏡データの処理と削減は、MeerKAT SP システムによって提供されるコンピューティング設備と、MeerKAT ユーザーによって提供されるその他の高性能コンピューター設備で実行されます。^{[引用が必要]}

仕様

2018年7月に開設されたMeerKAT ^[3]は、オフセットグレゴリオ配置の直径13.5メートルの皿64枚で構成されています。^[4]オフセット皿構成が選ばれたのは、その遮られない開口部により、妥協のない光学性能と感度、優れた画像品質、衛星や地上送信機からの不要な無線周波数干渉の良好な除去が得られるためです。また、主焦点領域と副焦点領域に複数の受信機システムを設置することも容易で、ミッドバンドSKAコンセプトのリファレンス設計となっています。^[5]

MeerKAT は、深部連続波、偏光、スペクトル線画像、パルサータイミング、過渡現象検索など、幅広い観測モードをサポートしています。画像パイプラインを含むさまざまな標準データ製品が提供されています。ユーザーが提供する機器をサポートするために、多数の「データスピゴット」も利用できます。運用コストの低減と高可用性を実現するために、高い信頼性を確保するために、設計と認定に多大な努力を払う予定です。

MeerKAT の 64 個の皿は、次の 2 つのコンポーネントに分散されています。

高密度の内部コンポーネントには、アンテナの 70% が含まれています。これらは、平均分散が 300 m、最短基線が 29 m、最長基線が 1 km のガウス分布で 2 次元的に分布しています。
外側のコンポーネントには、アンテナの 30% が含まれます。これらも、平均分散が 2,500 m、最長基線が 8 km の 2 次元ガウス分布で分布しています。

工事スケジュール

干渉望遠鏡の建設経験を積むために、カルーアレイ望遠鏡のメンバーは2005年から2007年にかけてケープタウンの南アフリカ天文台にフェーズド実験デモンストレーター（PED）を建設しました。 ^[6]

2007年には、 MeerKATのテストベッドとして機能する15メートル（49フィート）の実験開発モデル望遠鏡（XDM）がハルテビーストフック電波天文台に建設されました。 ^[7]

この場所での MeerKAT プレカーサーアレイ (MPA – KAT-7 としても知られる) の建設は 2009 年 8 月に開始されました。^[8] 2010 年 4 月、最初の 7 つの皿のうち 4 つが統合システムとしてリンクされ、天体の最初の干渉画像が生成されました。2010 年 12 月、ハルテビーストフック電波天文台の 26 m 皿と KAT-7 皿の 1 つとの間で、超長基線干渉法 (VLBI)の縞を検出することに成功しました。^[9]

当初の計画では2012年までにMeerKATを完成させる予定だったが、^[10]予算再編のため2010年後半に建設が中断された。科学大臣ナレディ・パンドールは、この中断がSKAプロジェクトや「外部要因」の妨げになったわけではないと否定した。^[11] MeerKATの建設には2010/11年と2011/12年に資金が投入されなかった。^[12 ] 2012年の南アフリカ国家予算では、2015年までに完成するMeerKATアンテナはわずか15基と予測されていた。^[13]

MeerKATアンテナの最後の鉄筋コンクリート基礎工事は2014年2月11日に完了した。9ヶ月かけて64基の土台を建設するために、約5000m3のコンクリートおよび570トン以上の鋼材が使用された。^[^14]

MeerKATは3つのフェーズに分けて完成する予定です。第1フェーズではすべてのアンテナが組み込まれますが、最初の受信機のみが搭載されます。処理帯域幅は750MHzです。第2フェーズと第3フェーズでは、残りの2つの受信機が搭載され、処理帯域幅は少なくとも2GHzに増加し、4GHzを目標としています。64基のMeerKATアンテナすべての建設が完了し、機器が正しく機能していることを確認するための検証テストが開始されました。^[15]その後、MeerKATは2018年後半に稼働し、アレイは科学運用のためにオンラインになります。

就任式

2018年7月13日、南アフリカの副大統領デビッド・マブザ氏がMeerKAT望遠鏡を開設し、天の川銀河の中心にある超大質量ブラックホールの周囲の領域について、これまでにない詳細を明らかにしたMeerKATによる画像を公開しました。

64 基の MeerKAT アンテナは、SKA 中周波アレイのフェーズ 1 に、133 基の SKA パラボラアンテナがカルーサイトに建設され運用開始された後に組み込まれ、SKA アレイのアンテナは合計 197 基になります。現在 MeerKAT に関連付けられているインフラストラクチャはすべて、SKA アレイに移行されます。KAPB には、SKA 中周波アレイに必要な追加機器を収容する容量があります。

科学の目的

MeerKAT 調査の科学的目標は、 SKAの第 1 フェーズの主要な科学的推進力と一致しており、MeerKAT が SKA の前身機器として指定されていることを裏付けています。MeerKAT での 5 年間の観測時間は、研究を行う時間を申請した一流の天文学者に割り当てられています。

サイト

南アフリカ科学技術省は、NRF と SARAO を通じて、南アフリカの SKA サイトのインフラに 7 億 6,000 万ランド以上を投資してきました。MeerKAT 用に構築されたインフラの革新的な設計とエンジニアリング、および無線周波の静かな環境、好ましい物理的サイト特性、および現場での技術的専門知識により、カルーのサイトは他の電波天文学実験にとって理想的な場所として位置付けられています。

HERA（水素再イオン化アレイ時代）電波望遠鏡は、南アフリカのSKA施設に併設されているそのような機器の1つです。HERAは、宇宙の初期に形成された最初の星や銀河からの電波信号を初めて検出するように設計されています。南アフリカのエンジニアと科学者は、米国のカリフォルニア大学バークレー校と英国のケンブリッジ大学の同僚と協力して、HERAを構築し、そのユニークで基本的な科学的機能を活用しています。

SA SKA サイトで構築された他の実験には、PAPER (再電離期を探査するための精密アレイ) と C-BASS (C バンド全天サーベイ) があります。

カルーサイトの MeerKAT と SKA、およびその他の電波天文学機器の長期的な存続を確実にするために、南アフリカ議会は 2007 年に天文学地理的優位性法を可決しました。この法律により、科学技術大臣は、規制を通じて、天文学および関連する科学的取り組みにとって国家的に戦略的に重要な地域を保護する権限を付与されます。

発見

2019年9月、南アフリカのMeerKAT電波望遠鏡を使用した国際天文学者チームが、銀河系の中心から数百光年上空と下空にそびえ立つ巨大な風船のような構造物を発見しました。^[16]

南アフリカとSKAの科学技術

MeerKATの設計と構築で南アフリカのエンジニアが得た経験はSKAの設計に引き継がれ、リスクと開発コストを削減しました。SARAOの南アフリカのエンジニアと南アフリカの産業パートナーは、11のSKAエンジニアリング設計コンソーシアムのうち7つに参加し、これらの国際的に分散したコンソーシアムの労働力の約10％を占めています。インフラストラクチャ南アフリカコンソーシアムとアセンブリ、統合、検証（AIV）コンソーシアムはSARAOが主導しており、DISHコンソーシアム、サイエンスデータプロセッサ（SDP）コンソーシアム、信号およびデータトランスポート（SaDT）コンソーシアム、望遠鏡マネージャ（TM）コンソーシアム、および中周波アパーチャアレイコンソーシアムには南アフリカが参加しました。南アフリカのエンジニアは、5つのコンソーシアムのシステムエンジニアリングの側面を監督しました。SARAOは、コンソーシアムの作業が完了したため、SKAサブシステムの開発を継続するブリッジングアクティビティにリソースを提供するための覚書をSKAOと締結しました。南アフリカの産業パートナーによるこれまでのコンソーシアム活動および将来の橋渡し活動への参加は、SARAO による財政支援プログラム (FAP) 資金提供イニシアチブを通じて促進されます。

SARAO と南アフリカの大学の科学者は、さまざまな SKA 科学ワーキンググループ (SWG) に多数参加しており、SKA サイエンスブックの論文著者の約 10% は南アフリカの機関に所属しています。MeerKAT 大規模科学プロジェクト (LSP) は SKA の科学ケースと密接に連携しており、LSP チームと関連する SWG の間ではメンバーシップの重複が大きくなっています。

アフリカにおける電波天文学の能力開発

SKA および MeerKAT 望遠鏡の設計、構築、運用に必要なスキルを育成し、運用開始後にこれらの電波望遠鏡を研究に最大限活用するために、SARAO は 2005 年に能力開発プログラムを開始しました。このプログラムは SARAO の業務に完全に統合されており、南アフリカで MeerKAT および SKA が成功するために必要な研究者、エンジニア、職人を育成し、確保するために作成されています。これまでに、このプログラムは、関連するすべての学術レベルとさまざまな関連資格で 1,000 件を超える奨学金とフェローシップを提供してきました。このプログラムは、過去 14 年間にわたって低い基礎から電波天文学の重要な専門知識を育成することに成功したため、海外の学術関係者から切望されています。^{[引用が必要]}

アフリカ超長基線電波干渉計ネットワーク (AVN)

アフリカ超長基線電波干渉計 (VLBI) ネットワーク (AVN) は、アフリカ大陸に SKA を構築するための重要な開発です。AVN プログラムは、SKA アフリカパートナー諸国 (ボツワナ、ガーナ、ケニア、マダガスカル、モーリシャス、モザンビーク、ナミビア、ザンビア) に電波望遠鏡の構築、保守、運用、使用に関するスキルと知識を移転します。

MeerKAT は、世界中のすべての主要な電波天文台とともにグローバル VLBI 運用にも参加し、グローバル VLBI ネットワークの感度を大幅に向上させます。MeerKAT のさらなる潜在的な科学目標は、地球外知的生命体の探索に参加し、宇宙探査機からの情報のダウンロードに関してNASAと協力することです。

参照

参考文献

^ 「先駆者と先駆者」。SKA : Square Kilometre Array（公開ウェブサイト）。 2020年12月22日閲覧。
^ キャンベル、キース。「SA電波望遠鏡、まもなく最初の2つのアンテナでコンポーネントとシステムのテストを開始」。www.engineeringnews.co.za 。 2021年1月18日閲覧。
^ 「南アフリカでMeerKAT電波望遠鏡が開設 ― 天の川銀河中心部のこれまでで最も鮮明な画像を公開」2018年7月13日。 2019年11月9日閲覧。
^ 「SKA Africa eNews」。SKA南アフリカプロジェクト。2010年10月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年10月27日閲覧。
^ 「MeerKATコンセプトデザインレビュー」MeerKAT。2010年10月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年5月29日閲覧。
^ 「PEDの歴史」 Karoo Array Telescope 2010年1月4日閲覧。
^ 「KAT – XDM の進歩」Hartebeesthoek 電波天文台. 2009 年6 月 30 日閲覧。
^ キャンベル、キース (2009 年 5 月 29 日)。「電波望遠鏡プロジェクト、入札の発行により前進」。マーティン・クリーマー・エンジニアリング・ニュース。
^ HartRAO-KAT-7 の VLBI フリンジが新たな可能性を示唆 Archived 11 March 2012 at the Wayback Machine
^ 科学技術省 2009/10 年度予算案採決演説、2009 年 6 月 18 日
^ 平方キロメートルアレイ（SKA）プロジェクトは予定通りの計画だとパンドールは述べている 2010年11月9日
^ 南アフリカ国家予算 – 国家支出の推定、表 34.6「研究、開発、イノベーション」766 ページ
^ 南アフリカ国家予算 – 国家支出の推定 764 ページ
^ 「MeerKAT望遠鏡の基礎が完成」Phys.org、2014年2月11日。
^ Tshangela, Lebo (2018年5月16日). 「MeerKAT望遠鏡が完成」SABCニュース. 2018年5月25日閲覧。
^ 「南アフリカのMeerKAT望遠鏡が天の川銀河の中心に巨大な電波「バブル」を発見」。公開ウェブサイト。2019年9月12日。 2019年11月12日閲覧。
^ 「LADUMA (MeerKATアレイで遠方宇宙を観測)調査のホームページ」。2016年3月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年8月19日閲覧。

外部リンク

SKA 南アフリカ
Hartebeeshoek の実験開発モデル (XDM)
YouTube: スクエアキロメートルアレイ

[skaprec-1] 「先駆者と先駆者」。SKA : Square Kilometre Array（公開ウェブサイト）。 2020年12月22日閲覧。

[2] キャンベル、キース。「SA電波望遠鏡、まもなく最初の2つのアンテナでコンポーネントとシステムのテストを開始」。www.engineeringnews.co.za 。 2021年1月18日閲覧。

[inauguration-3] 「南アフリカでMeerKAT電波望遠鏡が開設 ― 天の川銀河中心部のこれまでで最も鮮明な画像を公開」2018年7月13日。 2019年11月9日閲覧。

[dishes-4] 「SKA Africa eNews」。SKA南アフリカプロジェクト。2010年10月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年10月27日閲覧。

[ref-design-SKA-midband-5] 「MeerKATコンセプトデザインレビュー」MeerKAT。2010年10月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年5月29日閲覧。

[ped-6] 「PEDの歴史」 Karoo Array Telescope 2010年1月4日閲覧。

[7] 「KAT – XDM の進歩」Hartebeesthoek 電波天文台. 2009 年6 月 30 日閲覧。

[mcen-May-2009-8] キャンベル、キース (2009 年 5 月 29 日)。「電波望遠鏡プロジェクト、入札の発行により前進」。マーティン・クリーマー・エンジニアリング・ニュース。

[9] HartRAO-KAT-7 の VLBI フリンジが新たな可能性を示唆 Archived 11 March 2012 at the Wayback Machine

[10] 科学技術省 2009/10 年度予算案採決演説、2009 年 6 月 18 日

[11] 平方キロメートルアレイ（SKA）プロジェクトは予定通りの計画だとパンドールは述べている 2010年11月9日

[12] 南アフリカ国家予算 – 国家支出の推定、表 34.6「研究、開発、イノベーション」766 ページ

[13] 南アフリカ国家予算 – 国家支出の推定 764 ページ

[14] 「MeerKAT望遠鏡の基礎が完成」Phys.org、2014年2月11日。

[SABC-15] Tshangela, Lebo (2018年5月16日). 「MeerKAT望遠鏡が完成」SABCニュース. 2018年5月25日閲覧。

[16] 「南アフリカのMeerKAT望遠鏡が天の川銀河の中心に巨大な電波「バブル」を発見」。公開ウェブサイト。2019年9月12日。 2019年11月12日閲覧。

[17] 「LADUMA (MeerKATアレイで遠方宇宙を観測)調査のホームページ」。2016年3月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年8月19日閲覧。