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スクエア・キロメートル・アレイ（SKA）は、オーストラリア（低周波）と南アフリカ（中周波）で建設中の、政府間協力による国際電波望遠鏡プロジェクトです。統合インフラであるスクエア・キロメートル・アレイ天文台（SKAO ）と本部施設は、英国のジョドレルバンク天文台にあります。SKAの中核となる施設は、天の川銀河の観測条件が最も良く、電波干渉が最も少ない南半球に建設されています。
この名称は、望遠鏡の集光領域の想定サイズを指しており、はるかに大きい望遠鏡アレイ全体の規模を指しているわけではありません。1990年代に構想され、2010年代後半までにさらに開発および設計されたこの望遠鏡は、完成時には当初の構想どおり、総集光面積が約1平方キロメートルになることを意図しています。2025年に開始され、2032年に科学運用が開始される予定のSKAの第1段階の設計は、21,000平方メートル（0.021 km 2 ）の集光面積を持つパラボラアンテナで構成されています。[ 1 ]広範囲の周波数で動作し、そのサイズにより、他のどの電波望遠鏡よりも50倍感度が高くなります。計画どおりに建設されれば、以前よりも1万倍以上速く空を観測できるはずです。受信局は、集中した中心核から少なくとも3,000km （1,900マイル）離れた場所まで広がり、電波天文学が持つ、天文学全体で最高解像度の画像を提供する能力を活用する。
SKAOコンソーシアムは、 2019年3月にローマで7つの初期加盟国によって設立され、その後さらに数カ国が加わりました。2021年現在コンソーシアムには14のメンバーが参加していました。この国際組織は、施設の建設と運営を担当しています。プロジェクトは2つの建設段階に分かれており、現在のSKA1（一般にSKAと呼ばれる）と、後に大幅に拡張される可能性のあるSKA2と呼ばれる段階があります。プロジェクトの建設段階は、2022年12月5日に南アフリカとオーストラリアの両国で開始されました。
スクエア・キロメートル・アレイ（SKA）は、もともと1991年に構想され、1993年に国際ワーキンググループが設立されました。これにより、2000年に最初の覚書が署名されました。[ 2 ]
計画の初期段階で、中国はSKAの誘致に競い合い、南西部の省に点在する自然の石灰岩の窪地（カルスト）に複数の大型アンテナを建設することを提案した。中国はこの提案をキロメートル平方エリア電波合成望遠鏡（KARST）と呼んだ。 [ 3 ] [ 4 ]
オーストラリア初の電波静穏地帯は、オーストラリア通信メディア庁によって2005年4月11日に設立され、特にマーチソン電波天文台にあるオーストラリアの主要なSKAサイトの現在の「電波静穏」を保護し維持することを目的としている。[ 5 ]
このプロジェクトには、現在のSKA1（一般にSKAと呼ばれる）と、後に大幅に拡張される可能性のあるSKA2と呼ばれる段階の2つの建設段階があります。[ 6 ] PrepSKAは2008年に開始され、2012年にSKAの完全な設計につながりました。SKA望遠鏡の建設には8年かかり、2021年7月に開始され、SKA-Lowアレイの最初のアンテナは2024年に設置され、最初のSKA-Mid受信機は2025年に設置されます。[ 7 ]
2011年4月、イングランドのチェシャーにあるマンチェスター大学のジョドレルバンク天文台がプロジェクト本部の所在地として発表された。[ 8 ] 2011年11月、SKA組織が政府間組織として設立され[ 9 ]、プロジェクトは協力関係から独立した非営利企業へと移行した。[ 10 ]
2012年2月、オーストラリアSKA委員会の元委員長が、特に費用、鉱業の妨害、土地協定の面で、オーストラリアの候補地のリスクについて南アフリカのメディアに懸念を表明した。SKAオーストラリアは、すべての点が候補地入札で対処されていると述べた。[ 11 ] 2012年3月、SKAサイト諮問委員会が2月に南アフリカの入札の方が優れているという機密報告書を作成したと報じられた。[ 12 ]しかし、2つの候補ホスト地域の可能な実施オプションを検討するために科学作業部会が設置され、[ 13 ] 2012年5月25日、SKAは南アフリカとアフリカのサイト、オーストラリアとニュージーランドのサイトに分割されることが決定したと発表された。[ 14 ]ニュージーランドは2014年もSKA組織のメンバーであったが、ニュージーランドにSKAのインフラが設置される可能性は低いと思われた。[ 15 ]
2015年4月、SKAプロジェクトの本部がイギリスのジョドレルバンク天文台に設置されることが決定し、 [ 16 ] [ 17 ] 2019年7月に正式に開設されました。
最初の建設契約は2018年に開始されました。完全に完成したアレイによる科学観測は、2027年より前には開始されないと予想されています。[ 18 ] [ 19 ]
2019年3月12日、ローマにおいて、オーストラリア、中国、イタリア、オランダ、ポルトガル、南アフリカ、英国の7カ国が初期加盟国としてスクエア・キロメートル・アレイ天文台（SKAO）を設立した。インドとスウェーデンも間もなく加盟する見込みで、その他8カ国が将来的な参加に関心を示している。この国際機関は施設の建設と運営を担い、最初の建設契約は2020年後半に締結される予定である。[ 20 ]
2019年半ばまでに、科学観測の開始は2027年より早くは開始されないと予想されていた。[ 18 ] 2019年7月、ニュージーランドはこのプロジェクトから撤退した。[ 18 ]
2020年11月現在当時、すでに5つの先行施設が稼働していた。南アフリカのMeerKATと水素再電離期アレイ（HERA）、西オーストラリアのオーストラリアSKAパスファインダー（ASKAP）とマーチソン広視野アレイ（MWA）、そしてオランダを中核としてヨーロッパ各地に広がる国際LOFAR望遠鏡である。[ 21 ]
プロジェクトの建設段階は、2022年12月5日にオーストラリアと南アフリカで開始され、プロジェクトを主導する8か国それぞれの代表団が式典に出席してこの出来事を祝いました。[ 22 ]プロジェクトのオーストラリア部分は、ワジャリ先住民の伝統的な土地であるマーチソン地域に、74km （46マイル）にわたって建設される10万個のアンテナで構成されています。ブルドーザーは2023年初頭に現場での作業を開始する予定でした。 完成予定日は2028年と推定されている。この遺跡は、ワジャリ語で「空と星を共有する」という意味のInyarrimanha Ilgari Bundaraと名付けられている。[ 23 ]
インド原子力省（ DAE）と英国研究イノベーション機構（UKRI）は、スクエア・キロメートル・アレイ電波望遠鏡からのデータを処理するためのスーパーコンピューティング施設の設立の可能性を調査している。英国とインドは、SKA電波望遠鏡の計算処理を開発するチームの一員である。 [ 24 ] 2024年1月3日、インド政府は1,250億ルピーの財政的コミットメントを伴うSKAプロジェクトへの参加を承認し、加盟国としての批准に向けた第一歩となった。[ 25 ]
SKAの2つの部分（オーストラリアのSKA-lowとアフリカのSKA-mid）はそれぞれ、最大150kmの距離に分散した数千個の小型アンテナから受信した信号を合成し、開口合成と呼ばれる技術を使用して、極めて高い感度と角度分解能を備えた単一の巨大電波望遠鏡をシミュレートします。[ 26 ]さらに、SKAの2つの部分はそれぞれ、超長基線干渉法を使用して、最大数千km離れた場所にある他の電波望遠鏡とリンクし、極めて高い解像度を提供します。SKAのサブアレイの一部は非常に広い視野（FOV）も持ち、一度に非常に広い空域を調査することが可能です。[ 27 ] これにより、SKAの調査速度が大幅に向上し、複数のユーザーが同時に空の異なる部分を観測できるようになり、これは（例えば）複数のパルサーを監視するのに役立ちます。非常に広い視野と高い感度の組み合わせにより、SKAは他のどの望遠鏡よりもはるかに速く、非常に大規模な天体観測を実施できる。[ 28 ]
SKAの2つのサブアレイは以下のとおりです。
初期設計では、SKAサーベイアレイも計画されていた。これは、中周波数帯域用に直径12～15メートルのパラボラアンテナをコンパクトに配列したもので、各アンテナには広い視野を持つマルチビームフェーズドアレイ給電装置と、約350MHz ～4GHzをカバーする複数の受信システムが装備 されていた。サーベイサブアレイは、2015年の「再ベースライン化」作業の後、SKA1の仕様から削除された。[ 37 ]
SKAがカバーする領域は、約3000 kmに及び、3つの領域で構成されます。[ 26 ] [ 38 ]
SKAの費用は2014年に18億ユーロと見積もられ、フェーズ1には6億5000万ユーロが費やされ、これは望遠鏡アレイ全体の計画能力の約10%に相当する。[ 39 ] [ 40 ]この政府間プロジェクトの30年近い歴史の中で、数多くの遅延とコストの上昇があった。[ 18 ]
2022年12月現在 このプロジェクト全体の価値は約30億豪ドルと報じられた。[ 23 ]
2026年6月現在、SKAOコンソーシアムのメンバーは以下のとおりです。[ 10 ] [ 41 ] [ 42 ]
SKAの本部は、イングランドのチェシャーにあるマンチェスター大学のジョドレルバンク天文台に位置しており[ 62 ] 、望遠鏡はオーストラリアと南アフリカで建設されている[ 63 ] 。
SKA望遠鏡に適した場所は、人為的な電波干渉が非常に低いことが保証された無人地帯でなければなりません。当初、南アフリカ、オーストラリア、アルゼンチン、中国の4か所が候補地として提案されました。[ 64 ]相当な場所評価調査の後、アルゼンチンと中国は候補から外され、残りの2か所が最終候補に残りました（ニュージーランドがオーストラリアの提案に加わり、他の8つのアフリカ諸国が南アフリカの提案に加わりました）。[ 65 ]
コアサイトは、西オーストラリア州のブーラーディ近郊にあるマーチソン電波天文台（MRO）に位置し、ジェラルトンから北東に315 km（196マイル）離れています[ 66 ] [ 67 ]。
コアサイトは、乾燥した北ケープ州のカルー地方にある標高約1000メートルのミーアキャット国立公園に位置しています。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、ザンビアにも遠隔地の観測所があります。[ 68 ]
SKAに必要な技術と手法を開発するために、世界中で多くのグループが活動している。国際的なSKAプロジェクトへの彼らの貢献は、プレカーサー、パスファインダー、または設計研究のいずれかに分類される。
オーストラリアSKAパスファインダー（ASKAP）は、1億豪ドルを投じて36基の12メートルアンテナからなる望遠鏡アレイを建設したプロジェクトです。フェーズドアレイフィードなどの先進的で革新的な技術を採用し、広い視野（30平方度）を実現しています。ASKAPは、西オーストラリア州中西部のブーラーディ近郊にあるマーチソン電波天文台の敷地内にCSIROによって建設されました。36基すべてのアンテナとその技術システムは、2012年10月に正式に運用を開始しました。[ 69 ]
MeerKATは、直径13.5メートルのパラボラアンテナ64基からなる南アフリカのプロジェクトであり、世界クラスの科学観測機器として、SKA（スカイ・ロサンゼルス・アレイ）の技術開発を支援する目的で建設された。
KAT-7は、南アフリカ共和国北ケープ州カーナーボン近郊のミーアキャット国立公園にある、ミーアキャットのための7つのパラボラアンテナからなる工学および科学試験装置で、2012年に運用が開始され、直径13.5メートル（44.3フィート）のパラボラアンテナ64基すべてが完成した2018年5月までに稼働を開始し、その後、装置が正しく機能していることを確認するための検証試験が進行中である。[ 70 ] これらのアンテナには、580 MHz から 14 GHz までの周波数をカバーするために、多数の高性能シングルピクセルフィードが装備されています 。[ 71 ]
マーチソン広視野アレイ[ 72 ]は、 80～300MHzの周波数範囲で動作する低周波電波アレイ で、2018年に西オーストラリア州のマーチソン電波天文台のサイトでアップグレードされた運用を開始しました。
HERAアレイは南アフリカのミーアキャット国立公園に設置されている。これは、再電離期以前および再電離期に放出された、高度に赤方偏移した原子状水素の放射を研究するために設計された。
カリフォルニアのアレン望遠鏡アレイは、500 MHz から 11 GHz までの周波数をカバーする広帯域シングルフィードを備えた革新的な 6.1m オフセットグレゴリアンディッシュを使用しています 。2017 年までに運用開始された 42 エレメントのアレイは、350 エレメントに拡張される予定です。ディッシュの設計では、低コスト製造方法が検討されています。[ 83 ]
国際LOFAR望遠鏡は、オランダ主導の1億5000万ユーロのプロジェクトであり、北ヨーロッパに広がる斬新な低周波位相開口アレイである。10～240MHzの低周波数をカバーする完全電子望遠鏡で 、2009年から2011年にかけて稼働した。LOFARは2017年にSKAの重要な処理技術を開発していた。[ 84 ]基線長が最大2000kmにも及ぶため 、広い視野にわたって1秒角以下の角度分解能で画像を撮影できます。このような低周波数での高解像度イメージングは他に類を見ないものであり、SKA1-LOWよりも1桁以上優れた性能を発揮します。
収集されるセンサーデータの量は膨大なストレージの問題を引き起こし、生データを関連する派生情報に削減するためにリアルタイム信号処理が必要になります。2011 年半ばには、アレイは 1 日あたり 1エクサバイトの生データを生成し、それを約 10ペタバイトに圧縮できると推定されていました。[ 91 ]プロジェクトの創設メンバーである中国は、地域データ処理センターの最初のプロトタイプを設計および構築しました。上海天文台の SKA グループの責任者である An Tao 氏は、「これは、世界中のインターネット トラフィックの総量をはるかに超えるデータ ストリームを生成するでしょう」と述べています。2016 年に、 Tianhe-2スーパーコンピュータがソフトウェアのトレーニングに使用されました。プロジェクトの処理は、 CSIROによってプラットフォームに統合されたXilinxの中国設計および製造の[ 92 ] [ 93 ] Virtex-7 プロセッサ上で実行されます。[ 94 ]中国は統一ビームフォーミング設計を推進しており、他の主要国がプロジェクトから脱退する事態を招いている。[ 95 ]カナダは引き続きAltera Stratix-10プロセッサ（Intel製）を使用している。[ 96 ]米国による禁輸措置[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]により協力関係が著しく制限されるため、米国の企業がハイエンドのIntel FPGAや関連するCSP設計の詳細、ファームウェアを中国に輸出することは違法である。
技術開発プロジェクト（TDP）は、SKA用のアンテナとフィード技術を特別に開発するための1200万米ドルのプロジェクトです。大学のコンソーシアムによって運営され、2012年に完了しました。[ 102 ]
南アフリカの優先天文観測地点に対する潜在的なリスクは、2007年の天文地理的優位法によって保護されています。[ 103 ]この法律は、特に南アフリカのSKA入札を支援するために制定され、中核となる天文観測機器の科学的運用を危険にさらす可能性のあるすべての活動を禁止しています。2010年、ロイヤル・ダッチ・シェルが水圧破砕法を用いてカルー地方でシェールガスの探査を申請した際、この法律の執行意思について懸念が表明されました。この活動は、観測地点での電波干渉を増加させる可能性がありました。 [ 104 ]
モザンビークにある南アフリカの観測網の遠隔観測所候補地は洪水の影響を受けやすく、プロジェクトから除外された[ 105 ]。SKAサイト選定委員会の技術分析では、すべてのアフリカの遠隔観測所で洪水対策を実施できると報告されていたにもかかわらずである[ 106 ] 。
2014年、南アフリカでは全国金属労働者組合（NUMSA）による1ヶ月に及ぶストライキが発生し、アンテナ設置の遅延がさらに深刻化した。[ 107 ]
プロジェクト全体にとって最大の危険はおそらく予算であり、2014年まで予算は確定していなかった。[ 108 ]
このプロジェクトは、開始以来、南アフリカの農民、企業、個人から反対を受けてきた。[ 109 ] Save the Karooと呼ばれる擁護団体は、無線静穏地帯は、すでに失業率が32%を超えている南アフリカの地域で、さらなる失業を生み出すだろうと述べている。[ 110 ]農民たちは、土地を売却せざるを得なくなった場合、カルーの農業を基盤とする経済は崩壊すると述べている。[ 111 ] [ 112 ]
SKAの能力は、天体物理学、基礎物理学、宇宙論、素粒子天体物理学における幅広い疑問に取り組むとともに、観測可能な宇宙の範囲を拡大するように設計されます。SKAを通じて実施される主要な科学プロジェクトのいくつかを以下に示します。
アルベルト・アインシュタインの一般相対性理論は、ほぼ100年にわたり、それを検証するために行われたすべての実験の結果を正確に予測してきました。最も厳密なものを含め、これらのテストのほとんどは、電波天文学的測定を使用して行われてきました。パルサーを宇宙重力波検出器として使用したり、ブラックホールの周りを公転するパルサーのタイミングを計測したりすることで、天文学者は、極端に曲がった空間領域における時空の振る舞いなど、一般相対性理論の限界を調べることができます。目標は、アインシュタインが空間、時間、重力について正しく記述したかどうか、あるいはこれらの現象を説明するために一般相対性理論の代替案が必要かどうかを明らかにすることです。[ 113 ] [ 114 ]
SKAの21cm水素線における感度により、観測可能な宇宙の果てまで数十億個の銀河がマッピングされるだろう。このようにして明らかになる宇宙の大規模構造は、銀河の形成と進化をもたらすプロセスを決定するための制約を与えるだろう。宇宙全体で水素を画像化することで、個々の銀河や銀河団を形成した最初の構造のさざ波の3次元像が得られるだろう。これはまた、ダークエネルギーによって引き起こされ、宇宙の膨張率の増加を引き起こしていると仮定される効果の測定も可能にするかもしれない。[ 115 ]
SKA銀河サーベイによって可能になった宇宙論的測定には、ダークエネルギー[ 116 ]、重力[ 117 ] 、原始宇宙[ 118 ]、および基本宇宙論[ 119 ]のモデルの検証が含まれており、それらはオンラインで入手可能な一連の論文にまとめられています。[ 120 ] [ 121 ] [ 122 ] [ 123 ]
SKAは、いわゆる暗黒時代（ビッグバンから30万年後、宇宙が十分に冷えて水素が中性になり、放射線から分離した時期）からファーストライトの時代（10億年後、若い銀河が初めて形成され、水素が再び電離する時期）までの観測データを提供することを目的としています。SKAは、ガスの原始的な分布を観測することで、星や銀河が形成されて進化するにつれて宇宙がどのように徐々に明るくなったかを見ることができるはずです。ファーストライトで最高潮に達するこの暗黒時代は、宇宙創造の物語の最初の章と考えられており、この出来事を見るために必要な解像度がスクエア・キロメートル・アレイの設計理由です。ファーストライトまで遡って見るには、現在世界最大の電波望遠鏡の100倍の性能を持ち、100万平方メートル、つまり1平方キロメートルの集光面積を必要とする望遠鏡が必要です。[ 124 ]
宇宙磁場の起源と進化に関する基本的な疑問に答えることはまだ不可能ですが、それらが星間空間および銀河間空間の重要な構成要素であることは明らかです。SKAは、非常に遠方の銀河からの放射に対する磁場の影響をマッピングすることで、宇宙磁場の形態と、それが進化する宇宙において果たしてきた役割を解明します。
「生命のゆりかご」と呼ばれるこの重要な科学プログラムは、ハビタブルゾーンの原始惑星系円盤の観測、生命誕生以前の化学の探索、地球外知的生命体の探査（SETI）への貢献という3つの目標に焦点を当てています。[ 125 ]
中国のファーウェイ・テクノロジーズは、通信機器メーカーの米国技術へのアクセスを制限することを目的とした米国の措置の影響を受けていない。
ファーウェイは、新しい高速クラウドサービスの一環として、最初のFP1インスタンスを強化するために高性能Virtex® UltraScale+™ FPGAを選択しました。
カナダ国立研究機構 (NRC) は、次世代スクエア・キロメートル・アレイ (SKA) 電波望遠鏡の構築を支援しています...NRC の設計には Intel® Stratix® 10 SX FPGA が組み込まれています
) USMLカテゴリーIVの(a)(1)、(d)(1)、(d)(2)、(h)(1)、(h)(2)、(h)(4)、(h)(8)、(h)(9)項、またはUSMLカテゴリーVIIIの(a)(5)、(a)(6)、(a)(13)項(MT)(500kg以上のペイロードを300km以上の射程に運搬できるロケット、SLV、ミサイル、ドローン、UAV、またはそれらのサブ
システム用の場合)のモデリング、シミュレーション、または設計統合のために特別に設計されたハイブリッド(アナログ
/デジタル複合)コンピュータ。このカテゴリーの(a)(3)(xxix)項の注2を参照)。項目1のシステムで使用可能な、以下のいずれかの特性を有するアナログ-デジタル変換器。(1)アナログ-デジタル変換器「耐放射線性」を有するか、または以下のすべての特性を有する「マイクロ回路」：(i) 8ビット以上の分解能を有する。「項目1—カテゴリーI 弾道ミサイルシステム、宇宙打ち上げロケット、観測ロケット（§121.1、カテゴリーIV（a）および（b）参照）を含む完全なロケットシステム、および無人航空機システム（巡航ミサイルシステム（§121.1、カテゴリーVIII（a）参照）、標的ドローン、偵察ドローン（§121.1、カテゴリーVIII（a）参照）を含む）で、少なくとも500kgの
ペイロードを少なくとも300kmの射程に運搬できるもの
。
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