Arreglo de baja frecuencia

El Low-Frequency Array ( LOFAR ) es un gran radiotelescopio con una red de antenas ubicada principalmente en los Países Bajos y que, a partir de 2019, se extiende por otros 7 países europeos. Diseñado y construido originalmente por ASTRON , el Instituto Neerlandés de Radioastronomía, fue inaugurado por la Reina Beatriz de los Países Bajos en 2010 y, desde entonces, ha sido operado por ASTRON en nombre primero de la asociación International LOFAR Telescope (ILT) y ahora del LOFAR ERIC by ASTRON.

LOFAR consta de una vasta red de antenas omnidireccionales que utiliza un concepto moderno, en el que las señales de las antenas individuales no están conectadas eléctricamente de forma directa para funcionar como una sola antena grande, como ocurre en la mayoría de las antenas de arreglo . En cambio, las antenas dipolo de LOFAR (de dos tipos) están distribuidas en estaciones, dentro de las cuales las señales de las antenas se pueden combinar parcialmente mediante electrónica analógica, luego digitalizar y, finalmente, volver a combinar en toda la estación. Este enfoque gradual proporciona una gran flexibilidad para configurar y cambiar rápidamente la sensibilidad direccional en el cielo de una estación de antena. Los datos de todas las estaciones se transportan a través de fibra óptica a un procesador digital central y se combinan mediante software para emular una antena parabólica de radiotelescopio convencional con una resolución que corresponde a la mayor distancia entre las estaciones de antena en Europa.

LOFAR es, por lo tanto, una red interferométrica que utiliza aproximadamente 20.000 antenas pequeñas concentradas en 52 estaciones desde 2019. 38 de estas estaciones están distribuidas por los Países Bajos, construidas con financiación regional y nacional. Las seis estaciones en Alemania , tres en Polonia y una en cada uno de los siguientes países: Francia , Gran Bretaña , Irlanda , Letonia y Suecia , con diversa financiación y propiedad nacional, regional y local. Italia se unió oficialmente al Telescopio Internacional LOFAR (ILT) en 2018; la construcción en el sitio del observatorio INAF en Medicina , cerca de Bolonia , está prevista tan pronto como esté disponible el hardware actualizado (el llamado LOFAR2.0). ^{[ 1 ]} Otras estaciones en otros países europeos se encuentran en diversas etapas de planificación. El área de captación efectiva total es de aproximadamente 300.000 metros cuadrados, dependiendo de la frecuencia y la configuración de la antena. ^{[ 2 ]} Hasta 2014, el procesamiento de datos se realizaba mediante una supercomputadora Blue Gene/P situada en los Países Bajos , en la Universidad de Groningen . Desde 2014, LOFAR utiliza un correlador y formador de haces basado en GPU, COBALT, para esa tarea. ^{[ 3 ]} LOFAR también es un pionero tecnológico y científico para el Square Kilometre Array .

LOFAR fue concebido como un esfuerzo innovador para lograr un avance significativo en la sensibilidad de las observaciones astronómicas en radiofrecuencias inferiores a 250  MHz. Los radiointerferómetros astronómicos suelen consistir en conjuntos de antenas parabólicas (por ejemplo, el Telescopio de una milla o el Very Large Array ), conjuntos de antenas unidimensionales (por ejemplo, el Telescopio de Síntesis del Observatorio de Molonglo ) o conjuntos bidimensionales de antenas omnidireccionales (por ejemplo, el Interplanetary Scintillation Array de Antony Hewish ).

LOFAR combina aspectos de muchos de estos telescopios anteriores; en particular, utiliza antenas dipolo omnidireccionales como elementos de una matriz de fase en estaciones individuales, y combina dichas matrices de fase mediante la técnica de síntesis de apertura desarrollada en la década de 1950. Al igual que el anterior radiotelescopio de baja frecuencia Cambridge Low Frequency Synthesis Telescope (CLFST), el diseño de LOFAR se ha centrado en el uso de un gran número de antenas relativamente económicas sin partes móviles, concentradas en estaciones, con el mapeo realizado mediante software de síntesis de apertura . La dirección de observación ("haz") de las estaciones se elige electrónicamente mediante retardos de fase entre las antenas. LOFAR puede observar en varias direcciones simultáneamente, siempre que la tasa de datos agregada se mantenga por debajo de su límite. Esto, en principio, permite una operación multiusuario. ^{[ 4 ]}

LOFAR realiza observaciones en el rango de frecuencia de 10  MHz a 240  MHz con dos tipos de antenas: Antena de Banda Baja (LBA) y Antena de Banda Alta (HBA), optimizadas para 10–80  MHz y 120–240  MHz respectivamente. ^{[ 5 ]} Las señales eléctricas de las estaciones LOFAR se digitalizan, se transportan a un procesador digital central y se combinan en un software para mapear el cielo. Por lo tanto, LOFAR es un "telescopio de software". ^{[ 6 ]} El costo de estos telescopios está dominado por el costo de la electrónica y, por lo tanto, seguirá principalmente la ley de Moore , abaratándose con el tiempo y permitiendo la construcción de telescopios cada vez más grandes. Cada antena es bastante simple, pero hay alrededor de 20 000 de ellas en la red LOFAR. ^{[ 4 ]}

Estaciones LOFAR

Para realizar sondeos radioeléctricos del cielo con la resolución adecuada, las antenas están dispuestas en grupos que se extienden sobre un área de más de 1000  km de diámetro. Las estaciones LOFAR en los Países Bajos alcanzan líneas de base de aproximadamente 100  km. Actualmente, LOFAR recibe datos de 24 estaciones centrales (en Exloo ), 14 estaciones remotas en los Países Bajos y 14 estaciones internacionales. Cada una de las estaciones centrales y remotas cuenta con 48 HBA y 96 LBA, y un total de 48 unidades receptoras digitales (RCU). Las estaciones internacionales cuentan con 96 LBA y 96 HBA, y un total de 96 unidades receptoras digitales (RCU). ^{[ 7 ]}

Las ubicaciones de las estaciones internacionales de LOFAR son:

• Bulgaria – proyectado en el emplazamiento del Observatorio Astronómico Nacional de Rozhen ^{[ 8 ]}
• Francia ^{[ 9 ]}
  • Nançay – en el emplazamiento del radiotelescopio de Nançay
• Alemania ^{[ 10 ]}
  • Effelsberg – gestionado por el Instituto Max Planck de Radioastronomía , en el emplazamiento del radiotelescopio de Effelsberg ^{[ 11 ]}
  • Unterweilenbach/ Garching – dirigido por el Instituto Max Planck de Astrofísica
  • Tautenburg – en el sitio del Thüringer Landessternwarte Tautenburg (Observatorio Estatal de Turingia) ^{[ 12 ]}
  • Potsdam-Bornim – gestionado por el Instituto Astrofísico de Potsdam
  • Jülich : gestionado por la Universidad de Bochum , la Universidad Jacobs de Bremen y el Forschungszentrum Jülich
  • Norderstedt – dirigido por Hamburger Sternwarte y Universität Bielefeld ^{[ 13 ]}
• Irlanda
  • Birr – gestionado por el Trinity College de Dublín en el Observatorio Rosse en los terrenos del Castillo de Birr ^{[ 14 ]}

• Italia – proyectado en el emplazamiento del Observatorio de Medicina ^{[ 1 ]}
• Letonia
  • Ventspils – en la sede del Centro Internacional de Radioastronomía de Ventspils en Irbene
• Polonia
  • Bałdy – dirigido por la Universidad de Warmia y Mazury en Olsztyn
  • Borówiec – gestionado por el Centro de Investigación Espacial de la Academia Polaca de Ciencias
  • Łazy – dirigido por la Universidad Jagellónica
• Suecia ^{[ 15 ]}
  • Onsala – en el sitio del Observatorio Espacial de Onsala ^{[ 16 ]}
• Reino Unido ^{[ 17 ]}
  • Chilbolton – en el emplazamiento del Observatorio de Chilbolton

La misión de LOFAR es cartografiar el Universo en frecuencias de radio de ~10 a 240 MHz con mayor resolución y mayor sensibilidad que los estudios anteriores, como los estudios 7C y 8C , y los estudios realizados por el Very Large Array (VLA) y el Giant Meterwave Radio Telescope (GMRT) .

LOFAR será el radiotelescopio más sensible en sus bajas frecuencias de observación hasta que el Square Kilometre Array (SKA) entre en funcionamiento a finales de la década de 2020. Incluso entonces, el SKA solo observará en frecuencias superiores a 50  MHz y la resolución angular de LOFAR seguirá siendo muy superior.

La sensibilidad y la resolución espacial que se pueden alcanzar con LOFAR posibilitan nuevos estudios fundamentales del Universo, además de facilitar investigaciones prácticas únicas del entorno terrestre. En la siguiente lista, el término z es una magnitud adimensional que indica el desplazamiento al rojo de las fuentes de radio detectadas por LOFAR.

• En el universo muy distante ( 6 < z < 10 ), LOFAR puede buscar la señal producida por la reionización del hidrógeno neutro . Se predice que este cambio de fase crucial ocurrirá en la época de la formación de las primeras estrellas y galaxias, marcando el final de la llamada " edad oscura ". El corrimiento al rojo en el que se cree que ocurre la reionización desplazará la línea de 21 cm del hidrógeno neutro a 1420,40575  MHz dentro de la ventana de observación de LOFAR. La frecuencia observada hoy es menor en un factor de 1/(z+1).
• En el distante Universo "formativo" ( 1,5 < z < 7 ), LOFAR es capaz de detectar las galaxias masivas más distantes y estudiará los procesos mediante los cuales se forman las primeras estructuras del Universo (galaxias, cúmulos y núcleos activos ) y sondeará el gas intergaláctico .
• En el universo magnético, LOFAR está cartografiando la distribución de los rayos cósmicos y los campos magnéticos globales en nuestra propia galaxia y en galaxias cercanas, en cúmulos de galaxias y en el medio intergaláctico.
• El instrumento LOFAR, que estudia el universo de alta energía, detecta los rayos cósmicos de ultra alta energía al atravesar la atmósfera terrestre . Una estación de pruebas dedicada a este fin, LOPES , está en funcionamiento desde 2003.
• Dentro de la galaxia Vía Láctea , LOFAR ha detectado muchos púlsares nuevos a pocos kpc del Sol, ha buscado eventos transitorios de corta duración producidos por fusiones estelares o acreción de agujeros negros, y buscará estallidos de planetas extrasolares similares a Júpiter . ^{[ 22 ]}
• Dentro del Sistema Solar, LOFAR detecta eyecciones de masa coronal del Sol y proporciona mapas continuos a gran escala del viento solar . Esta información crucial sobre la actividad solar y sus efectos en la Tierra facilita la predicción de tormentas geomagnéticas costosas y dañinas .
• En el entorno inmediato de la Tierra, LOFAR cartografiará continuamente las irregularidades en la ionosfera , detectará los efectos ionizantes de las explosiones de rayos gamma distantes y los destellos que se prevé que surjan de los rayos cósmicos de mayor energía , cuyos orígenes no están claros.
• Al explorar una nueva ventana espectral, es probable que LOFAR realice descubrimientos fortuitos . La detección de nuevas clases de objetos o nuevos fenómenos astrofísicos ha sido el resultado de casi todas las instalaciones anteriores que abrieron nuevas regiones del espectro o que llevaron los parámetros instrumentales, como la sensibilidad, en más de un orden de magnitud.

A principios de la década de 1990, ASTRON , el Instituto Neerlandés de Radioastronomía, estudiaba activamente la tecnología de redes de apertura para radioastronomía . Al mismo tiempo, surgió un creciente interés científico en ASTRON y en las universidades neerlandesas por un radiotelescopio de baja frecuencia. En 1999 se realizó un estudio de viabilidad y se buscaron socios internacionales. En el año 2000, la Junta Directiva de ASTRON creó el Comité Directivo de LOFAR de los Países Bajos, integrado por representantes de todos los departamentos universitarios neerlandeses interesados ​​y de ASTRON.

En noviembre de 2003, el Gobierno neerlandés asignó 52  millones de euros para financiar la infraestructura de LOFAR en el marco del programa Bsik. De acuerdo con las directrices de Bsik, LOFAR se financió como una red de sensores multidisciplinares para facilitar la investigación en geofísica , informática , agricultura y astronomía .

En diciembre de 2003, la Estación de Pruebas Iniciales (ITS) de LOFAR entró en funcionamiento. El sistema ITS consta de 60 dipolos en forma de V invertida; cada dipolo está conectado a un amplificador de bajo ruido (LNA), que proporciona la amplificación suficiente de las señales entrantes para transportarlas a través de un cable coaxial de 110 m (360 pies) de longitud hasta la unidad receptora (RCU).  

El 26 de abril de 2005, se instaló una supercomputadora IBM Blue Gene/L en el centro de matemáticas de la Universidad de Groningen para el procesamiento de datos de LOFAR . En ese momento, era la segunda supercomputadora más potente de Europa , después de MareNostrum en Barcelona . ^{[ 28 ]} Desde 2014, un clúster de computación aún más potente (correlador) llamado COBALT realiza la correlación de señales de todas las estaciones individuales. ^{[ 29 ]}

En agosto/septiembre de 2006, la primera estación LOFAR ( Estación Central CS001 , también conocida como CS1 52°54′32″N 6°52′8″E / 52.90889°N 6.86889°E / 52.90889; 6.86889 ) se instaló en el campo utilizando hardware de preproducción. Un total de 96 antenas de doble dipolo (el equivalente a una estación LOFAR completa) están agrupadas en cuatro clústeres, el clúster central con 48 dipolos y otros tres clústeres con 16 dipolos cada uno. Cada clúster tiene un tamaño aproximado de 100 m (330 pies) . Los clústeres están distribuidos en un área de ~500 m de diámetro.  

En noviembre de 2007, la primera estación internacional LOFAR ( DE601 ), junto al radiotelescopio de 100 m de Effelsberg, se convirtió en la primera estación operativa. La primera estación completamente terminada ( CS302 ), en el borde del núcleo LOFAR, se entregó en mayo de 2009, con un total de 40 estaciones neerlandesas cuya finalización estaba prevista para 2013. Para 2014, 38 estaciones en los Países Bajos, cinco en Alemania (Effelsberg, Tautenburg, Unterweilenbach, Bornim/Potsdam y Jülich), y una en el Reino Unido (Chilbolton), otra en Francia (Nançay) y otra en Suecia (Onsala) estaban operativas. La estación de Birr , en Irlanda, se añadió en 2017. ^{[ 30 ]}

LOFAR fue inaugurado oficialmente el 12 de junio de 2010 por la reina Beatriz de los Países Bajos. ^{[ 31 ]} Las observaciones regulares comenzaron en diciembre de 2012.

• ASKAP : Buscador de proyectos de la red australiana de kilómetros cuadrados
• Telescopio de radio gigante de ondas métricas
• Matriz de longitud de onda larga (LWA)
• LORUN : LOFAR en la Universidad Radboud de Nijmegen
• MeerKAT : Telescopio de la matriz de Karoo
• Matriz Murchison Widefield (MWA)
• Matriz de precisión para sondear la época de la reionización.
• Radiotelescopio ucraniano de baja frecuencia en forma de T

• Sitio web de LOFAR
• Sitios nacionales de LOFAR: Alemania – Reino Unido – Suecia – Francia – Polonia – Irlanda – Finlandia

• Sitio web de ASTRON
• Proyecto clave de investigación científica
• Proyecto Científico Clave sobre Transitorios
• Proyecto científico clave de la época de la reionización
• Proyecto científico clave sobre física solar y meteorología espacial. Archivado el 29/09/2018 en Wayback Machine.
• Proyecto científico clave sobre magnetismo cósmico
• Mapa interactivo de posibles ubicaciones de estaciones
• Visita guiada a la estación LOFAR-UK
• LOFAR como sonda de las fuentes de la reionización cosmológica. (preimpresión: astro-ph/0412080 )
• LOFAR, un nuevo radiotelescopio de baja frecuencia. (preimpresión: astro-ph/0309537 )
• LOFAR: Un nuevo radiotelescopio para observaciones de radio de baja frecuencia: Estado científico y del proyecto. (preimpresión: astro-ph/0307240 )
• Matriz de kilómetros cuadrados (artículo de Scholarpedia).
• Das Square Kilometer Array (en alemán), reimpresión de Sterne und Weltraum 9/2006. mpifr-bonn.mpg.de