Das Square Kilometre Array Observatory (SKAO) ist eine internationale, zwischenstaatliche Organisation mit Sitz im Vereinigten Königreich, die am 15. Januar 2021 gegründet wurde. Ihre Hauptaufgabe ist der Aufbau und Betrieb der Anlagen des Square Kilometre Array (SKA), einem Radioteleskop-Netzwerk mit großer, weit verteilter Sammelfläche. Die namengebende Vision ging von einem Quadratkilometer aus.Daniel Clery: Giant radio telescope reaches milestone en route to construction start. Science, 4. Februar 2021, doi:10.1126/science.abg9245.
Die ersten beiden Teleskop-Netzwerke, für verschiedene Frequenzbereiche, werden in Südafrika und Australien errichtet, mit 197 Einzelspiegeln von 15 m Durchmesser bzw. 131.072 zwei Meter hohen Breitbandantennen. Der Ausbau begann im Jahr 2021 und wird in mehreren Schritten erfolgen. Die Fertigstellung ist im Jahr 2029 vorgesehen. Durch Kombination der Antennensignale mit unterschiedlichem Zeitversatz wird es möglich sein, gleichzeitig einen großen Himmelsausschnitt mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit zu beobachten. Dazu werden Hochleistungsrechner und Langstrecken-Netzwerke mit einer Kapazität benötigt, die den heutigen weltweiten Internetverkehr übertrifft.
Überblick Die Idee für das SKA geht auf Überlegungen internationaler Wissenschaftler in den 1980er und 1990er Jahren zurück. Sie machten sich Gedanken darüber, wie ein Teleskop beschaffen sein müsste, das die grundlegenden astronomischen Fragen des neuen Jahrtausends erforschen könnte. Man ging davon aus, dass eine Verdreißigfachung der Sensitivität damals verfügbarer Teleskope notwendig wäre und damit rund ein Quadratkilometer effektiver Kollektorfläche. Mehrere organisatorische Zwischenstufen trieben die Planungen voran, modifizierten sie immer wieder und begleiteten den Aufbau von Pathfinder-Geräten, bis 2021 das SKA Observatory als zwischenstaatliche Organisation gegründet wurde und die Bauarbeiten der ersten Phase beginnen konnten. 2012 war festgelegt worden, dass in dieser ersten Phase „SKA-1“ an zwei Teleskop-Standorten in Australien und Südafrika die zwei Arrays SKA-Low für niedrige Frequenzen und SKA-Mid für mittlere Frequenzen aufgebaut und betrieben werden sollen. Geplant ist, diese Ausbaustufe bis 2029 abzuschließen. Das SKA wird in Empfindlichkeit, Winkelauflösung und Durchmusterungsgeschwindigkeit die bisher bestehenden Messeinrichtungen um ein Mehrfaches übertreffen. Weitere Bauphasen können vom Observatory angestoßen werden, wenn die Finanzierung geklärt ist.
Beschreibung mini|Das Hauptquartier des SKA-Projekts am Jodrell-Bank-Observatorium im Vereinigten Königreich Die Planung sieht vor, dass das SKA Signale kombiniert, die von tausenden kleinen Radioantennen empfangen wurden. Durch deren große räumliche Distanz von bis zu 3000 km wäre es möglich, damit ein riesiges Radioteleskop mit einer extrem hohen Empfindlichkeit und Winkelauflösung zu simulieren. Das SKA soll ebenfalls ein sehr großes Sichtfeld (FOV, ) von 200 Quadratgrad bei Frequenzen unter 1 GHz und mehr als 1 Quadratgrad (ungefähr fünf Mondscheiben) bei höheren Frequenzen abdecken. Eine geplante Neuerung ist die gleichzeitige Verwendung von mehreren Sichtfeldern durch Phased-Array-Antennen. Damit soll die Geschwindigkeit bei Musterungen entscheidend verbessert und es verschiedenen Benutzern ermöglicht werden, gleichzeitig verschiedene Teile des Himmels zu beobachten.
In den ersten beiden Bauphasen soll eine kontinuierliche Abdeckung von 70 MHz bis 10 GHz gewährleistet werden. In einer dritten Phase ist eine Ausweitung auf 30 GHz geplant.
Phase 1: ≈20 % der totalen Auffangfläche bei niedrigen und mittleren Frequenzen. Phase 2: Volle Arraygröße für niedrige und mittlere Frequenzen. Phase 3: Aufbau des Arrays für hohe Frequenzen.
Mit einem einzigen Antennendesign kann nicht der gesamte Frequenzbereich von 70 MHz bis 10 GHz (mehr als zwei Dekaden) sinnvoll empfangen werden. Deshalb soll das SKA über drei Typen von Antennenelementen verfügen, SKA-low, SKA-mid und Parabolantennen.
mini|Illustration der SKA-low Arrays (auch Sparse Aperture Arrays genannt) mini|Illustration einer Station des SKA-mid Array mini|Illustration der Offset-Gregory-Parabolantennen (auch Dish Arrays genannt) mini|Illustration der Offset-Gregory-Parabolantennen (auch Dish Arrays genannt) SKA-low Array (Phasen 1 und 2): Ein Array von phasengesteuerten, einfachen Dipolantennen für den Frequenzbereich von 70 MHz bis 200 MHz. Diese Antennen sollen in Gruppen zu 90 auf einer Fläche mit einem Durchmesser von 100 m aufgestellt werden. SKA-mid Array (Phase 2): Dieses Array soll aus phasengesteuerten Antennen bestehen, welche eine Abdeckung der Frequenzen von 200 MHz bis 500 MHz ermöglichen. Die Antennen mit Abmessungen von 3 m × 3 m sollen in kreisförmigen Gruppen mit einem Durchmesser von 60 m aufgestellt werden. Dish Array (Phasen 1 und 2): Mehrere tausend Parabolantennen für die Frequenzen von 500 MHz bis 10 GHz. Geplant ist ein Antennendesign wie beim Allen Telescope Array mit einem Offset-Gregory-Design mit einer Höhe von 15 m und einer Breite von 12 m. Die Parabolantennen sollen, wenn möglich, mit Fokalebenenarrays in ihrem Fokus ausgestattet sein. Dieser Aufbau würde den Parabolantennen ein weit größeres Sichtfeld verleihen, als dies mit einem einzelnen Empfänger möglich wäre. Prototypen dieser Fokalebenenarrays stehen im Moment in der Entwicklung.
Das SKA soll in drei Regionen unterteilt werden:
Eine zentrale Region mit Ansammlungen von Parabolantennen und SKA-mid-Stationen in den inneren 2,5 km und SKA-low Antennen hinaus bis 5 km. Diese zentrale Region soll ungefähr die Hälfte der gesamten Empfangsfläche von 1 km² enthalten. Eine mittlere Region bis 180 km. Parabolantennen und Paare von SKA-mid- und SKA-low-Stationen werden in dieser Region angesiedelt. Alle Antennen sollen zufällig verteilt werden, mit einer nach außen hin abfallenden Dichte von Antennen. Eine äußere Region von 180 km bis 3000 km. Fünf Spiralarme mit Gruppen von 20 Parabolantennen sind in ihr enthalten. Der Abstand zwischen den Stationen wird mit zunehmender Entfernung immer größer.
Wissenschaftliche Ziele des SKAO Ende der 1980er JahreRonald David „Ron“ Ekers: The History of the Square Kilometre Array (SKA) Born Global. Proceedings of Science, 2012, arXiv:1212.3497. war die Motivation für die 100fach größere Sammelfläche, H-I-Gebiete bis in kosmologisch relevante Entfernungen, z = 2 statt bisher 0,2, untersuchen zu können. Im September 1993 gründete die International Union of Radio Science die Large Telescope Working Group. Erstmals fassten 1999 Taylor und Braun zusammen, zu welchen astronomischen und kosmologischen Ergebnissen das SKA führen könnte.Andrew Russell Taylor und Robert Braun (Hrsg.): 1999, z. T. basierend auf Beiträgen zur gleichnamigen Konferenz an der Universität Calgary im Juni 1998. Im August 2000 unterzeichneten elf Staaten ein Memorandum zur Gründung des International SKA Steering Committee (ISSAC). Ergebnisse waren ein breit angelegtes Science Book und eine Liste von Schlüsselprojekten, , welche auch die Spezifikation der Designparameter unterstützen sollten:Christopher L. Carilli und Steven Gregory „Steve“ Rawlings: Science with the Square Kilometer Array: Motivation, Key Science Projects, Standards and Assumptions. 2004, arXiv:astro-ph/0409274.
KSP I. Wiege des Lebens In galaktischen Sternentstehungsgebieten sollen Protoplanetare Scheiben abgebildet und darin die Entwicklung erdähnlicher Planeten live verfolgt werden. Astrobiologisch relevante Moleküle können in Molekülwolken und Planetenatmosphären nachgewiesen und außerirdische Zivilisationen abgehört werden.
KSP II. Hochfeld-Tests der allgemeinen Relativitätstheorie Zehntausende Pulsare werden neu entdeckt. Deren Taktsignale dienen als kosmisches Positionssystem, gegen das der Durchgang von Gravitationswellen beobachtbar sein sollte. Einige Pulsare könnten auch in engen Binärsystemen mit Schwarzen Löchern gefunden werden, in stärker gekrümmter Raumzeit als in bisher entdeckten Systemen.
KSP III. Ursprung und Entwicklung der kosmischen Magnetfelder Hundert Millionen Quellen polarisierter Radiowellen, typischer Abstand am Himmel eine Bogenminute, lassen sich auf die Frequenzabhängigkeit der Faraday-Rotation hin untersuchen. Das sollte helfen, die Fragen über den Ursprung und die Entwicklung interstellarer und intergalaktischer Magnetfelder zu klären.
KSP IV. Galaxienentstehung und Kosmologie Die Intensität der HI-Linie in Absorption wird mit hoher Winkelauflösung und bis zu einer Rotverschiebung von z = 1,5 neutralen Wasserstoff in Galaxien abbilden. Die großräumige Struktur dieser Galaxien ermöglicht Rückschlüsse auf die Zustandsgleichung der Dunklen Energie. Darüber hinaus lassen schwache Gravitationslinseneffekte auf die Verteilung Dunkler Materie schließen.
KSP V. Reionisierungsepoche – die ersten leuchtenden Objekte und supermassiven Schwarzen Löcher Zur Zeit der Reionisierung zeigt sich die HI-Linie in Emission, rotverschoben in den Bereich 50 bis 100 MHz. Das australische SKAO-Teleskop wird helfen, die frühe Strukturbildung und die Art der ersten leuchtenden Objekte aufzuklären. Molekülspektroskopie erlaubt die Untersuchung der Sternentstehung in frühen Galaxien, während die ersten supermassiven Schwarzen Löcher sich im Radiokontinuum zeigen werden.
Standorte mini|Automatischer Breitband-Scanner für die Registrierung terrestrischer Störungen am Standort Südafrika Voraussetzung für mögliche Standorte der SKA-Teleskopnetzwerke war ein möglichst geringer anthropogener Radiowellen-Hintergrund, wie er sich praktisch nur in unbewohnten Gebieten findet. Nach umfangreichen Tests, u. a. mit nebenstehend abgebildeten Funkscannern, und einem Wettbewerb mehrerer Standorte, fiel im Mai 2012 die Entscheidung für einen verteilten Aufbau in Australien und Südafrika.
Australien: Aufbau von SKA-Low. Das Zentrum befindet sich bei Boolardy () in Westaustralien 315 km nordöstlich von Geraldton auf einer wüstenähnlichen Ebene auf einer Höhe von . Dieses Gebiet liegt in der Mid-West Radio Quiet Zone, die für das Murchison Widefield Array (MWA) eingerichtet wurde.Amos, J. Nations vie for giant telescope, BBC News, 28. September 2006.Science Network WA, 16 February 2007 Südafrika: Aufbau von SKA-Mid. Das Zentrum befindet sich auf einer Höhe von in der Gegend Karoo (), in der trockenen Provinz Northern Cape, ungefähr 75 km nordwestlich von Carnarvon. Später sind weitere Stationen unter anderem in Ghana, Kenia, Madagaskar und Mauritius geplant.
Pathfinder Arrays und Entwicklung der Technologie Viele Gruppen von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt arbeiten daran, die benötigte Technologie und die Verfahren zu entwickeln, welche vom SKA verwendet werden sollen. Dazu entstehen bzw. entstanden Antennen-Arrays, die nicht Teil des SKA werden sollen. Einige sind im Folgenden aufgeführt. Dem bereits 1995/96 errichteten Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) des indischen National Centre for Radio Astrophysics (NCRA) des TIFR wurde Anfang 2015 der Pathfinder-Status zuerkannt.skatelescope.org: India’s GMRT telescope granted SKA pathfinder status. News, Februar 2015.
MeerKAT MeerKAT ist ein Projekt für 860 Millionen Rand, das mit einem Array von 50 oder mehr Parabolantennen mit 12 m Durchmesser Grundlagen für die Technologie des SKA erprobt. KAT-7, eine Testumgebung aus sieben Schüsseln in der Nähe von Carnarvon in der Provinz Northern Cape in Südafrika, sollte 2012 volle Funktionsfähigkeit erlangen. Die Parabolantennen wurden mit einzelnen Breitbandempfängern für Frequenzen von 800 MHz bis 8 GHz ausgestattet.Südafrika SKA Website. Im Juli 2016 wurden bei einer ersten Testaufnahme mit 16 der geplanten 64 Parabolantennen etwa 1200 neue Galaxien entdeckt.