LOFAR
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1. 개요
LOFAR는 혁신적인 설계를 통해 기존 전파 망원경의 특징을 결합한 저주파 전파 망원경이다. 네덜란드 엑슬로에 위치한 24개의 핵심 스테이션과 14개의 '원격' 스테이션, 그리고 14개의 국제 스테이션을 포함하여 전 세계에 분포되어 있다. LOFAR는 우주의 재이온화, 심우주 탐사, 과도 전파 현상 및 펄서 연구, 초고에너지 우주선 연구, 우주 자기장 연구, 태양 물리학 및 우주 기상 연구 등 다양한 과학적 목표를 가지고 있다. 2010년 공식 개통되었으며, 2012년부터 정규 관측을 시작했다.
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LOFAR | |
---|---|
개요 | |
![]() | |
조직 | ASTRON |
위치 | 네덜란드 엑슬로 북쪽 3 킬로미터 (코어) |
파장 | 30 ~ 1.3 미터 (전파) |
건설 기간 | 2006년 ~ 2012년 |
웹사이트 | LOFAR 공식 웹사이트 |
형태 | 총 ~20,000개의 다이폴 안테나의 위상 배열 |
직경 | 1000 km 이상 |
면적 | 최대 1 km2 |
마운팅 | 고정식 |
기술 정보 | |
시스템 성능 | ASTRON의 LOFAR 기술 정보 |
코발트 | GPU 기반 상관기 및 LOFAR용 빔 형성기 |
2. 기술 정보
LOFAR는 250MHz 미만의 전파 주파수에서 천문 관측 감도를 크게 높이기 위해 설계된 혁신적인 전파 망원경이다. 기존 전파 망원경은 포물선 반사경 배열(원마일 망원경, 초대형 배열 등), 1차원 안테나 배열(몰롱고 관측소 합성 망원경 등), 무지향성 안테나의 2차원 배열(앤토니 휴이시의 행성간 섬광 배열 등)로 구성된다.
LOFAR는 이러한 망원경들의 특징을 결합했다. 특히, 개별 스테이션에서 위상 배열 요소로 무지향성 다이폴 안테나를 사용하고, 1950년대 개발된 개구 합성 기술을 사용하여 해당 위상 배열을 결합한다. LOFAR는 케임브리지 저주파 합성 망원경(CLFST)처럼 움직이는 부품이 없는 저렴한 안테나를 스테이션에 집중 배치하고, 개구 합성으로 매핑을 수행한다. 안테나 간 위상 지연을 전자적으로 제어하여 관측 방향("빔")을 선택한다. LOFAR는 데이터 처리 용량이 충분하면 여러 방향을 동시 관측할 수 있어, 다중 사용자 관측이 가능하다.[4]
LOFAR는 저대역 안테나(LBA)와 고대역 안테나(HBA) 두 가지 유형 안테나를 사용하며, 각각 10–80MHz 및 120–240MHz에 최적화되어 10MHz ~ 240MHz 주파수 범위에서 관측한다.[5] 각 스테이션 전기 신호는 디지털화되어 중앙 디지털 프로세서로 전송되고, 소프트웨어로 결합되어 하늘을 매핑한다. 따라서 LOFAR는 "소프트웨어 망원경"이라 불린다.[6] 이러한 망원경 비용은 전자 장치 비용에 의해 결정되는데, 무어의 법칙에 따라 비용이 점차 감소하여 더 큰 망원경을 구축할 수 있게 되었다. LOFAR 배열에는 약 20,000개 안테나가 사용된다.[4]
2. 1. LOFAR 스테이션
LOFAR는 안테나를 클러스터 형태로 배열하여 하늘을 관측하며, 각 스테이션은 독립적인 관측소 역할을 수행한다. LOFAR 스테이션은 네덜란드, 독일, 영국, 프랑스, 스웨덴, 폴란드, 아일랜드, 라트비아, 이탈리아, 불가리아 등 유럽 각지에 설치되어 운영 중이거나 계획 중이다.[7]국제 LOFAR 스테이션의 위치는 다음과 같다.[8]
국가 | 위치 | 운영 기관 | 비고 |
---|---|---|---|
독일 | 에펠스베르크(Effelsberg) | 막스 플랑크 전파 천문학 연구소[9] | 에펠스베르크 전파 망원경 부지 |
운터바일렌바흐/가르칭(Unterweilenbach/Garching) | 막스 플랑크 천체 물리학 연구소 | ||
타우텐부르크(Tautenburg) | 튀링겐 주립 천문대[10] | ||
포츠담-보르님(Potsdam-Bornim) | 포츠담 천체 물리학 연구소 | ||
율리히(Jülich) | 보훔 대학교, 야콥스 대학교 브레멘, 율리히 연구소 | ||
노르더슈테트(Norderstedt) | 함부르크 천문대, 빌레펠트 대학교[11] | ||
영국 | 칠볼턴(Chilbolton) | 칠볼턴 천문대 부지[12] | |
프랑스 | 낭세(Nançay) | 낭세 전파 망원경 부지[13] | |
스웨덴 | 온살라(Onsala) | 온살라 우주 관측소 부지[14] | |
폴란드 | 바우디(Bałdy) | 바르미아-마주리 대학교 | |
보로우비에츠(Borówiec) | 폴란드 과학 아카데미 우주 연구 센터 | ||
와지, 보흐니아 군(Łazy) | 야기엘론 대학교 | ||
아일랜드 | 비르, 오팔리 주(Birr) | 트리니티 칼리지 더블린 | 비르 성 부지의 로스 관측소[16] |
라트비아 | 벤츠필스(Ventspils) | 벤츠필스 국제 전파 천문학 센터 | 이르베네에 위치 |
이탈리아 | 메디치나 관측소 부지에 계획[1] | ||
불가리아 | 로젠 국립 천문대 | 로젠 국립 천문대 부지에 계획[17] |
2. 2. 데이터 전송
LOFAR의 데이터 전송 요구 사항은 매우 높다. 각 스테이션은 초당 수 기가비트의 데이터를 전송하며, 전체 데이터 처리를 위해서는 수십 테라플롭스의 연산 능력이 필요하다.[21] LOFAR에서 수집된 데이터는 LOFAR 장기 보관소에 저장된다.[21] 이 보관소는 분산형 저장소로 구현되어 있으며, 데이터는 흐로닝언 대학교의 도널드 스미츠 정보 기술 센터에 위치한 Target 데이터 센터, 암스테르담의 센터, 그리고 독일의 율리히 연구 센터에 분산되어 있다.[21]3. LOFAR의 과학적 목표
LOFAR는 이전의 전파원 조사보다 높은 각분해능과 감도로 ~10–240 MHz의 전파 주파수에서 우주를 관측한다. 이를 통해 우주에 대한 근본적인 연구와 지구 환경에 대한 조사가 가능하다. LOFAR는 제곱 킬로미터 배열(SKA)이 가동되기 전까지 낮은 관측 주파수에서 가장 민감한 전파 천문대이며, SKA 가동 이후에도 LOFAR의 각분해능은 더 우수하게 유지될 것이다.
LOFAR의 높은 감도와 공간 분해능은 이전에는 불가능했던 새로운 천문학 및 지구 관측을 가능하게 한다.
다음은 LOFAR의 관측 대상 및 연구 내용을 요약한 표이다. 여기서 는 적색편이를 나타낸다.
적색편이 () | 관측 대상 및 내용 |
---|---|
중성 수소 분자의 재전리 증거 탐색. 최초의 별과 은하 형성, 우주의 암흑 시대의 끝으로 여겨짐. 중성 수소 분자가 발하는 1420.40575 MHz 전파가 LOFAR 관측 가능 주파수대에 들어옴 (관측 주파수는 1/(z+1)배). | |
최원방 대질량 은하 탐지, 은하 및 은하단, 활동 은하핵 형성 모습 및 은하간 가스 관측. | |
보다 근방의 우주 | 우리 은하 및 근방 외부 은하 내 자기장 구조, 우주선 가속 연구. |
고에너지 영역 천체 현상 | 초고에너지 우주선이 지구 대기로 돌입할 때 발생하는 전자기파 포착. (특화 안테나 LOPES는 2003년부터 운용) |
은하계 내 | 펄서, 짧은 시간 강도 변동 천체에서 방출되는 저주파 전파 검출. 항성 합체, 블랙홀 질량 강착, 목성형 외계 행성 방사 등. |
태양계 내 | 태양 코로나 질량 방출 검출, 광범위 태양풍 분포도 작성. 우주 날씨 예보, 자기 폭풍 예측에 도움. |
지구 | 지구 대기, 특히 전리층 지속 관측. 원방 감마선 폭발에 의한 대기 전리, 초고에너지 우주선 입자에 의한 전파 플래시 관측. |
저주파 전파 지속 관측 | 예상 밖의 새로운 천체 현상 발견 및 연구. |
LOFAR는 새로운 스펙트럼 창을 탐사함으로써 우연한 발견을 할 가능성이 높다. 역사적으로 새로운 관측 장치의 등장으로 새로운 관측 주파수대가 개척되거나, 감도가 향상된 결과, 이전에는 예상되지 않았던 새로운 천체 현상이 발견되곤 했다.
3. 1. 주요 연구 과제
LOFAR는 우주 재이온화, 심우주 탐사, 과도 전파 현상 및 펄서, 초고에너지 우주선, 우주 자기장, 태양 물리학 및 우주 기상 등 다양한 분야를 연구한다.- 매우 먼 우주(): LOFAR는 중성 수소의 재이온화로 생성된 신호를 찾는다. 이 시기는 최초의 별과 은하가 형성되는 시대로, "암흑 시대"의 종말을 알리는 중요한 사건이다. 재이온화가 발생한 적색편이에서는 중성 수소의 21 cm선이 LOFAR 관측 창으로 이동한다.
- 먼 "형성" 우주(): LOFAR는 가장 멀리 있는 거대한 은하를 감지하고, 우주 초기 구조(은하, 은하단, 활동 핵)의 형성 과정을 연구하며, 은하간 가스를 탐사한다.
- 자기 우주: LOFAR는 우리 은하와 인근 은하, 은하단 및 은하간 매질에서 우주선과 전역 자기장의 분포를 파악한다.
- 고에너지 우주: LOFAR는 초고에너지 우주선이 지구 대기를 통과할 때 이를 감지한다. LOPES는 2003년부터 운영 중이다.
- 은하수 은하 내: LOFAR는 태양에서 몇 kpc 이내에 있는 많은 새로운 펄서를 감지하고, 별의 병합이나 블랙홀 강착으로 생성된 단기 과도 천문 현상을 찾으며, 목성형 외계 행성에서 방출되는 폭발을 찾는다.[22]
- 태양계 내: LOFAR는 태양의 코로나 질량 방출을 감지하고 태양풍의 대규모 지도를 제공하여, 지자기 폭풍 예측에 도움을 준다.
- 지구 환경: LOFAR는 전리층의 불규칙성을 지속적으로 관측하고, 먼 감마선 폭발의 이온화 효과와 가장 높은 에너지의 우주선에서 발생할 것으로 예측되는 섬광을 감지한다.
- 새로운 발견 가능성: LOFAR는 새로운 스펙트럼 창을 탐사함으로써 우연한 발견을 할 가능성이 높다.
3. 1. 1. 우주의 재이온화
LOFAR의 가장 흥미로운 응용 분야 중 하나는 재이온화 시대(EoR)에서 적색편이된 21cm선 방출을 탐색하는 것이다.[23] 이는 기술적으로 가장 어려운 응용 분야이기도 하다. '암흑기'는 우주가 중성으로 변환된 재결합 이후의 기간으로, z=20까지 지속된 것으로 생각된다. WMAP 편광 결과는 재이온화가 확장되었거나 여러 단계로 진행되었을 수 있음을 시사하며, 시작은 아마도 z~15-20 정도였고 z~6에서 종료되었을 수 있다. LOFAR를 사용하면 z=11.4 (115 MHz)에서 z=6 (200 MHz)까지의 적색편이 범위를 탐사할 수 있다. 예상되는 신호는 미약하며, 훨씬 강한 배경 방출로부터 이를 분리하는 것은 어려운 과제이다.LOFAR의 중요한 관측 주제 중 하나는 우주 재전리 시대의 중성 수소 원자에서 방출되는 파장 21cm의 휘선을 검출하는 것이다. 우주의 재결합 이후의 암흑 시대는 적색편이(z)=20 정도의 시기였다고 생각되었다. WMAP의 관측에 의해 이 시기는 생각했던 것보다 폭이 넓고, z가 15에서 20 사이에서 시작되어 z=6 즈음에 끝났다고 생각하게 되었다. LOFAR를 사용하면, z=11.4(115 MHz)에서 z=6 (200 MHz) 범위의 적색편이가 되는 중성 수소 원자를 관측할 수 있다.
3. 1. 2. 심우주 탐사
LOFAR의 가장 중요한 응용 분야 중 하나는 광대한 하늘 영역을 조사하는 것이다. 이러한 조사는 LOFAR의 특성에 매우 적합하며, LOFAR가 처음 시작될 때부터 추진해 온 핵심 프로젝트 중 하나로 지정되었다. 여러 주파수에서 접근 가능한 하늘에 대한 이러한 심층적인 LOFAR 조사는 거대 블랙홀, 은하 및 은하단의 형성을 포함한 천체 물리학의 여러 기본 영역을 조사하기 위한 고유한 전파원 목록을 제공할 것이다. LOFAR 조사가 우주의 미개척 매개변수를 탐구할 것이기 때문에 새로운 현상을 발견할 가능성이 높다. 2021년 2월, 천문학자들은 LOFAR가 감지한 초저주파수 전파를 기반으로 북천구 반구의 4%를 커버하는 25,000개의 활성 초대질량 블랙홀의 매우 고해상도 이미지를 처음으로 공개했다.[24]LOFAR로 얻을 수 있는 높은 감도와 공간 분해능을 통해 지금까지 불가능했던 새로운 천문학 관측과 지구 관측이 가능해진다.
다음 표에서는 LOFAR로 관측할 수 있는 천체의 적색편이를 로 나타낸다.
적색편이 () | 관측 대상 및 내용 |
---|---|
중성 수소 분자의 재전리 증거 탐색. 최초의 별과 은하 형성, 우주의 암흑 시대의 끝으로 여겨짐. 중성 수소 분자가 발하는 1420.40575 MHz 전파가 LOFAR 관측 가능 주파수대에 들어옴 (관측 주파수는 1/(z+1)배). | |
최원방 대질량 은하 탐지, 은하 및 은하단, 활동 은하핵 형성 모습 및 은하간 가스 관측. | |
보다 근방의 우주 | 우리 은하 및 근방 외부 은하 내 자기장 구조, 우주선 가속 연구. |
고에너지 영역 천체 현상 | 초고에너지 우주선이 지구 대기로 돌입할 때 발생하는 전자기파 포착. (특화 안테나 LOPES는 2003년부터 운용) |
은하계 내 | 펄서, 짧은 시간 강도 변동 천체에서 방출되는 저주파 전파 검출. 항성 합체, 블랙홀 질량 강착, 목성형 외계 행성 방사 등. |
태양계 내 | 태양 코로나 질량 방출 검출, 광범위 태양풍 분포도 작성. 우주 날씨 예보, 자기 폭풍 예측에 도움. |
지구 | 지구 대기, 특히 전리층 지속 관측. 원방 감마선 폭발에 의한 대기 전리, 초고에너지 우주선 입자에 의한 전파 플래시 관측. |
저주파 전파 지속 관측 | 예상 밖의 새로운 천체 현상 발견 및 연구. |
광시야 전천 관측도 LOFAR의 중요한 주제이다. LOFAR의 장치적 특징은 이 주제에 적합하며, 애초부터 핵심 프로그램 중 하나였던 전천 관측이 가능하도록 LOFAR의 장치 성능이 검토되어 왔다. LOFAR에 의한 고감도, 다중 주파수 전천 관측이 수행됨으로써, 블랙홀이나 은하, 은하단의 형성 등 천체물리학상의 중요한 주제에 접근하는 데 필수적인 천체 목록을 작성할 수 있다. 또한, LOFAR에 의해 완전히 새로운 천체 현상도 발견될 것이다.
3. 1. 3. 과도 전파 현상 및 펄서
LOFAR는 전파 하늘의 변화를 감시하여, 폭발하는 별, 블랙홀, 외계 행성 등에서 발생하는 과도 전파 현상을 연구한다. 네덜란드에서 보이는 하늘(전체 하늘의 약 60%)의 민감한 전파 지도를 단 하룻밤 만에 만들 수 있다.[25] 이전의 좁은 시야 조사에서 힌트만 얻었던 과도 전파 현상이 발견되고, 전례 없는 정확도로 신속하게 위치가 파악되며, 다른 시설(예: 감마선, 광학 및 X선 관측소)의 데이터와 자동으로 비교될 것이다. 이러한 과도 현상은 폭발하는 별, 블랙홀, 태양과 유사한 별의 플레어, 외계 행성의 전파 폭발 또는 심지어 SETI 신호와 관련될 수 있다.[25] 또한, 저주파수에서 전파 펄서에 대한 심층 조사를 수행하고, 멀리 떨어진 은하의 회전하는 중성자별에서 발생하는 거대한 전파 폭발을 감지하려고 시도할 것이다.3. 1. 4. 초고에너지 우주선
LOFAR는 초고에너지 우주선(UHECR)이 지구 대기와 상호작용할 때 발생하는 강렬한 전파 펄스를 감지하여 연구한다.[26] 이러한 우주선 입자를 가속하는 위치와 과정은 아직 알려져 있지 않다. 가능한 후보로는 강력한 전파 은하의 전파 로브의 충격파, 은하 형성 시대에 생성된 은하간 충격파, 하이퍼노바, 감마선 폭발, 초기 우주의 위상 전이에서 남은 토폴로지적 결함으로부터 초거대 입자의 붕괴 생성물 등이 있다.[26]LOFAR는 1차 우주선이 대기에 충돌하여 광범위한 공기 샤워(EAS)를 생성할 때 방출되는 전파 펄스를 관측한다. EAS는 1차 입자의 이동 방향을 따라 정렬되며, 그 구성 요소의 상당 부분은 지구 자기권에서 전파 방출을 하는 쌍생성의 전자-양전자 쌍으로 구성된다.[26]
LOFAR는 ~ eV 사이의 에너지에서 고에너지 및 극고에너지 우주선 (HECR 및 UHECR)의 기원을 연구하는 데 중요한 도구이다.[31]
3. 1. 5. 우주 자기장
LOFAR는 저에너지 싱크로트론 복사와 패러데이 효과를 관측하여, 우주 자기장의 기원과 진화를 연구한다.[27] LOFAR는 지금까지 거의 관측되지 않은 저에너지의 싱크로트론 복사를 관측할 수 있는데, 이 복사는 약한 자기장 속을 운동하는 (우주선의) 전자에 의해 방출된다. 은하 내부와 은하 간 물질은 거의 모두 자화되어 있음에도 불구하고, 우주의 자기장의 기원과 진화에 대해서는 거의 알려진 바가 없다. LOFAR는 약한 자기장을 처음으로 검출함으로써 이 분야의 연구를 크게 진전시킬 가능성이 있다. 또한 LOFAR는 저주파 전파의 편광면이 회전하는 파라데이 효과도 관측할 수 있을 것으로 기대되며, 이는 약한 자기장을 연구하는 또 다른 도구가 될 것이다.[32]3. 1. 6. 태양 물리학 및 우주 기상
LOFAR는 태양 활동을 꾸준히 관찰하고 코로나 질량 방출(CME)을 연구하여 우주 기상 예측 능력을 높인다. 태양은 강력한 전파를 방출하는데, 여기에는 100만 K(켈빈)의 뜨거운 태양 코로나에서 나오는 열복사와 태양 플레어 및 코로나 질량 방출과 같은 태양 활동 현상과 관련된 강한 전파 폭발이 포함된다.[1] LOFAR의 주파수 범위는 중간 및 상부 코로나에서 방출되는 태양 전파를 관측하기에 적합하며, 행성간 공간으로 향하는 CME의 발사를 연구하는 데 이상적이다.[1]LOFAR의 영상 능력은 CME가 지구에 도달할지 여부를 알려주어 우주 기상 연구에 중요한 도구로 활용된다.[1] LOFAR를 이용한 태양 관측은 우주 기상의 근원인 태양 활동을 일상적으로 감시하는 것을 포함한다.[1] 또한 LOFAR는 태양 전파 폭발에 신속하게 대응하여 후속 관측을 할 수 있도록 돕는다.[1]
태양 플레어는 고에너지 전자를 생성하여 X선을 방출하고 주변 플라즈마를 가열한다.[1] 따라서 RHESSI, 히노데, 태양 역학 관측소(SDO) 등 다른 지상 및 우주 기반 장비와 함께 관측하여 이 근본적인 천체 물리학적 과정에 대한 이해를 높일 수 있다.[1]
4. LOFAR 구축 역사
1990년대 초, ASTRON(네덜란드 전파 천문학 연구소)에서 전파 천문학을 위한 개구 배열 기술 연구가 활발히 진행되었다. 동시에 ASTRON과 네덜란드 대학교에서 저주파 전파 망원경에 대한 과학적 관심이 높아졌다. 1999년에는 타당성 조사가 수행되었고 국제 파트너를 찾기 시작했다. 2000년에는 네덜란드 대학교 학과 및 ASTRON의 대표로 구성된 네덜란드 LOFAR 운영 위원회가 ASTRON 이사회에 의해 설립되었다.
2003년 11월, 네덜란드 정부는 Bsik 프로그램에 따라 LOFAR의 인프라 구축에 5200만유로를 할당했다. Bsik 지침에 따라 LOFAR는 지구물리학, 컴퓨터 과학, 농업뿐만 아니라 천문학 연구를 촉진하기 위한 다학제적 센서 배열로 자금을 지원받았다.
2003년 12월, LOFAR의 초기 테스트 스테이션(ITS)이 가동되었다. ITS 시스템은 60개의 역 V자형 다이폴로 구성되며, 각 다이폴은 저잡음 증폭기(LNA)에 연결되어 수신된 신호를 110m 길이의 동축 케이블을 통해 수신기 장치(RCU)로 전송할 수 있을 만큼 충분한 증폭을 제공한다.
2005년 4월 26일, IBM의 블루 진/L 슈퍼컴퓨터가 LOFAR의 데이터 처리를 위해 흐로닝언 대학교의 수학 센터에 설치되었다. 당시 이는 바르셀로나의 MareNostrum 다음으로 유럽에서 두 번째로 강력한 슈퍼컴퓨터였다.[28] 2014년부터는 COBALT라고 불리는 훨씬 더 강력한 컴퓨팅 클러스터(상관기)가 모든 개별 스테이션의 신호 상관을 수행한다.[29]
2006년 8/9월에 사전 생산 하드웨어를 사용하여 첫 번째 LOFAR 스테이션(Core Station CS001, CS1)이 현장에 설치되었다. 총 96개의 이중 다이폴 안테나(전체 LOFAR 스테이션과 동일)가 4개의 클러스터로 그룹화되었으며, 중앙 클러스터에는 48개의 다이폴이 있고 다른 세 개의 클러스터에는 각각 16개의 다이폴이 있다. 각 클러스터는 크기가 약 100m이다. 클러스터는 지름이 ~500m인 지역에 분산되어 있다.
2007년 11월, 에펠스베르크 100m 전파 망원경 옆에 있는 첫 번째 국제 LOFAR 스테이션(DE601)이 최초로 가동되는 스테이션이 되었다. LOFAR 코어의 가장자리에 있는 최초의 완전한 스테이션(CS302)은 2009년 5월에 인도되었다.
참조
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What we look forward to in LOFAR 2.0: LOFAR expands to Italy
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2021-08-15
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LOFAR Transients and the Radio Sky Monitor
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The White Dots in This Image Are Not Stars or Galaxies. They're Black Holes
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