マーチソン ワイドフィールドアレイ

マーチソン ワイドフィールドアレイ

個別のMWA-32Tタイル
の一部	マーチソン電波天文台
場所	西オーストラリア州、AUS
座標	南緯26°42′12″ 東経116°40′16″ / 南緯26.7033° 東経116.671° / -26.7033; 116.671
波長	3.75、1m（80、300MHz）
構築済み	2007–2012 ( 2007–2012 )
望遠鏡スタイル	電波干渉計
直径	3 km (9,842 フィート 6 インチ)
収集エリア	512 m 2 (5,510 平方フィート)
Webサイト	www.mwatelescope.org
マーチソン広視野アレイの位置
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マーチソンワイドフィールド アレイ( MWA ) は、低周波電波アレイの構築と運用を目的とした国際コンソーシアムの共同プロジェクトです。「ワイドフィールド」とは、視野が非常に広いことを意味します (約 30 度)。周波数範囲 70～300 MHz で動作する MWA の主な科学的目標は、宇宙の再電離期(EoR) から中性原子水素放射を検出し、太陽、太陽圏、地球の電離層、および電波過渡現象を研究し、銀河系外の電波天空の地図を作成することです。このアレイはマーチソン電波天文台(MRO) にあります。

MWAは、同じくMROにある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（ASKAP）、南アフリカの2つの電波望遠鏡、水素再電離アレイ（HERA）とMeerKATとともに、平方キロメートルアレイ（SKA）として知られる国際プロジェクトの先駆けとなる4つの望遠鏡のうちの1つです。

MWAは、初期試験が実施されたミレーラ基地^[1]に設置される予定だった。その後、南西に移動され、西オーストラリアの奥地にあるブーラディ基地、パースの北800キロにあるマーチソン電波天文台（MRO）に建設された。この場所は、観測に静かな電波環境と安定した気候を提供する。^[2] MROは、CSIROの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^[3]（ASKAP）の設置場所でもある。また、オーストラリアで平方キロメートルアレイ（SKA）のために選ばれた2か所のうちの1か所でもある。地理的なつながりに加えて、MWAは、南アフリカの2か所、HERAとMeerKATとともに、SKA開発の指針となる機器、科学、運用情報を提供する機器である公式のSKA前身望遠鏡4か所のうちの1か所でもある。^[4]

MWAは当初、段階的に構築される512タイルの装置（512T）^[5]として構想されました。第1段階は32タイルのプロトタイプ（MWA-32T）で、2007年から2011年にかけて構築され、機能が拡張されながら運用され、望遠鏡のハードウェアのテストや、EoRフィールドの初期観測を含む予備的な科学観測が行われました。^[6]

望遠鏡の第一段階、いわゆる「フェーズ I MWA」は、2012 年後半に実用化が完了し^[7]、2013 年 6 月 20 日に試運転を完了し、その後本格的な運用に移行しました。フェーズ I MWA は、128 個の位相タイルからの信号を完全に相互相関させます。各タイルは、4 x 4 の正方形に配置された 16 個の交差ダイポールで構成されています。計画されている将来の展開の一環として、フェーズ I 中に MRO の現場のインフラストラクチャが設置され、最終的には 256 個のタイルに拡張できるようになりました。プロジェクトの最初のフェーズの総費用は 5,100 万豪ドルでした。^{[8]フェーズ I アレイは、主に 2 代目の MWA ディレクターである}Steven Tingayによって推進されました。^[要出典]

2017年、望遠鏡は計画通りのアップグレードを受け、アンテナの数が倍増し、解像度と感度が向上しました。このアップグレードされた機器は「フェーズII MWA」と呼ばれています。フェーズIIは2017年10月に実質的に完了し、2018年4月23日に正式に開始されました。追加アンテナの設置とアレイの試運転は、3代目のMWAディレクターであるランドール・ウェイスが主導し、フェーズII機器の運用は現ディレクターのメラニー・ジョンストン・ホリットが主導しました。^{[引用が必要]}

MWA は、30 度程度の非常に広い視野を持つ、本質的に多用途な装置であり、幅広い科学的目標をカバーできます。フェーズ I では、このアレイによって、銀河面のH II 領域の検出、太陽系外惑星からの電波放射の制限、銀河団のハローと残骸の観測、一時的な電波源の検出、宇宙ゴミの追跡などのトピックを網羅した多数の科学論文が発表されました。フェーズ I MWA の最も重要な成果の 2 つは次のとおりです。

• 学部生のクレオ・ロイによる電離層におけるプラズマチューブの初検出。^[9]ロイ氏はこの研究によりオーストラリア天文学会2015ボック賞を受賞した。 ^{[10] [9]}
• 「銀河系および銀河系外全天MWA」（または「GLEAM」）は、MWAによって実施された70〜230MHzの20の周波数での30万個の銀河系外源の調査である。 ^{[11] [12]}

2022年1月、カーティン大学のナターシャ・ハーリーウォーカー博士率いる研究チームが2018年のGLEAMデータを再分析し、ネイチャー誌で、 GLEAM-X J162759.5−523504.3は長周期（1,091.170秒/18分11秒）の天体であり、最大1分間明るいエネルギーパルスを発し、地球から約4,000光年離れた天の川銀河にあると発表しました。導き出された位置は、正座の赤経16時27分59.5秒、赤緯-52°35′04.3"である。この天体は154MHzでパルスを発生し、ピーク磁束密度は最大S154MHz = 45  Jyである。これを1.4GHzに換算すると、S1.4GHz = 3.5 Jyとなり、したがって光度L1.4GHz = 4×10^31 ergs ^−1となる。パルサーまたはマグネターに似ていると推測されている。この天体は、ハーリーウォーカー博士の指導の下、タイロン・オドハティが学部生の優等プロジェクトの一環として発見した。^[13]

MWAアンテナは、 4m x 4m のスチール メッシュ グランド プレーン上に配置された 4 x 4 の規則的なグリッドの二重偏波ダイポール エレメントで構成されています。各アンテナ (16 個のダイポールを含む) は「タイル」と呼ばれます。各ダイポールからの信号は低ノイズ アンプ (LNA) を通過し、アナログビームフォーマーで結合されて、上空にタイル ビームを生成します。ビームフォーマーはフィールド内のタイルの隣に配置されます。タイル ビームからの無線周波数 (RF) 信号は受信機に送信され、各受信機は 8 つのタイルのグループからの信号を処理できます。したがって、受信機はフィールド内の 8 つのタイルのグループの近くに配置されます。受信機とビームフォーマー間のケーブルは、データ、電力、および制御信号を伝送します。受信機の電源は、中央のジェネレータから供給されます。受信機には、サンプリングとデジタル化の準備として信号を調整するアナログ エレメントが含まれています。周波数範囲 80～300 MHz は、高精度でナイキストサンプリングされます。受信機のデジタル要素（デジタイザの後）は、時系列データを 1.28 MHz の解像度（各解像度要素につき 5 ビットの実数と 5 ビットの虚数）で周波数領域に変換するために使用されます。1.28 MHz の粗い周波数チャネルのセットは、 MWA サイトの近くにあるCSIROデータ処理施設にある相関器サブシステムに光ファイバー接続を介して送信されます。MWA は CSIRO 施設を ASKAP プログラムと共有しています。^{[引用が必要]}

フェーズ I では、タイルの大部分 (112) がおよそ 1.5 km のコア領域に散在し、非常に高画質のアレイを形成し、数分角の解像度で数百平方度の視野を実現しました。残りの 16 個のタイルはコアの外側に配置され、約 3 km のベースライン距離を実現し、より高い角度解像度の観測を可能にしました。^{[引用が必要]}

フェーズ II では、MWA は 2 つの構成、つまりコンパクト構成と 128 タイルの拡張構成で運用されました。コンパクト構成は、フェーズ I の受信機 7 台と 56 タイル、および 36 タイルが密集した 2 つの六角形構成に配置された 72 個の新しいタイルで構成されています。コンパクト構成の新しい六角形スーパー タイルは、「冗長間隔」の概念を利用して、EoR の検出のためにアレイを高精度に調整します。拡張構成は、フェーズ I の受信機 9 台と元のタイル 72 個、および約 5 km のベースライン距離を提供する 56 個の新しい長いベースライン タイルで構成されています。^{[引用が必要]}

オリジナルの相関器サブシステムは、 1.28 MHz の粗い周波数チャネルを 10 kHz の周波数分解能のチャネルに変換して相互相関の準備をする多相フィルタ バンク(PFB) ボードで構成されています。相関器ボードは、すべてのタイルからの信号を相互乗算して可視性データを作成します。分散クロック信号は、フィールド内の受信機のコヒーレンスを駆動し、相関器のタイミングを維持します。このシステムは 128 タイルからのデータしか取り込めないため、アレイは現在 256 タイルで構成されていますが、一度に相関されるタイルは半分だけであり、上記の 2 つの構成が生じます。MWA コラボレーションは、近い将来、この相関器を、256 タイルすべてからのデータを取り込める新しいマシンに置き換える予定です。^{[引用が必要]}

MWA は、MWA サイトの CSIRO データ処理施設内にある専用コンピュータに常駐する監視および制御 (M&C) ソフトウェア パッケージへのインターフェイスを介してリモートで操作されます。M&C ソフトウェアは、ハードウェアの状態ベースの記述と、機器の観測スケジュールを記述するイベント駆動型データベースを維持します。M&C ソフトウェアは、ビームフォーマーの指向と追跡、受信機の周波数選択、相関器の相関パラメータ、RTC/RTS 機能など、システムのいくつかの要素を制御します。M&C システムは、機器の「メタデータ」を外部データベースに保存することで、MWA アーカイブに貢献します。これには、各観測の機器構成と、さまざまなハードウェア コンポーネントから収集されたハウスキーピング情報の両方が含まれます。^{[引用が必要]}

データは、サイトから高帯域幅ネットワーク接続の端にある MWA アーカイブに転送されます。主要な MWA データ アーカイブは、パースのPawsey Supercomputing Centreにあります。2018 年 12 月現在、結果として得られた初期較正データは、オーストラリア全天仮想天文台 (ASVO) の MWA ノードを介して国際天文学コミュニティに提供されています。GLEAM 調査の初期リリースなど、MWA コラボレーションによって生成された重要な処理済みデータ製品も、その後の分析と解釈のためにさまざまな国際科学データベースを介して利用できます。^{[引用が必要]}

フェーズ I では、MWA コンソーシアムは当初、オーストラリア、ニュージーランド、米国、インドの 12 の機関から選ばれた 110 人の研究者で構成されていました。ニュージーランドは 2011 年後半にコンソーシアムに加わり、2014 年には米国の 2 つの機関が加わり、フェーズ I のパートナー組織の総数は 14 になりました。フェーズ I の終了時には、160 人の研究者が MWA に関わっていました。

MWAコンソーシアムの会員は、フェーズIIでカナダ、中国、日本の加入により大幅に拡大しましたが、この時点でインドはコンソーシアムを脱退しました。とはいえ、フェーズIIの開始時点でMWAは6か国21のパートナー組織に拡大し、270人の科学者が会員となっていました。この協力関係の拡大は、主に当時のMWA理事長（2014年1月～2018年1月）で現在のMWAディレクターであるメラニー・ジョンストン・ホリットの働きによるものです。

MWA プロジェクトは、2018 年現在、以下のプロジェクト パートナーで構成されています。^{[引用が必要]}

現在までに、MWA への資金は、パートナー機関および国の資金提供機関からの割り当てによって提供されてきました。これらの機関には、ニュージーランド経済開発省 (現在のビジネス・イノベーション・雇用省)、米国国立科学財団、オーストラリア研究会議(ARC)、オーストラリア天文学社が管理するオーストラリア国立共同研究インフラストラクチャ戦略 (NCRIS)、オーストラリア - インド戦略研究基金概要 (AISRF) などがあります。さらに、MWA コンピューター ハードウェアのサポートは、ビクトリア大学ウェリントン校とカーティン大学 (PI: Johnston-Hollitt および Tingey) に授与された IBM Shared University Research Grant を通じて行われました。

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