평방킬로미터 간섭계

1. 개요

평방킬로미터 간섭계(SKA)는 1991년에 처음 구상되어 2020년대에 건설이 시작된 대규모 전파 망원경 프로젝트이다. 수천 개의 안테나를 결합하여 단일 거대 망원경과 같은 성능을 내도록 설계되었으며, 호주와 남아프리카 공화국에 분산 배치될 예정이다. SKA는 일반 상대성 이론, 은하 및 우주론 연구, 재이온화 시대, 우주 자기장 연구, 외계 생명체 탐사 등 다양한 과학적 목표를 가지고 있다. 하지만, 전파 간섭, 예산 문제, 데이터 처리 및 저장 문제, 위성 간섭 등의 문제점도 안고 있다.

2. 역사

평방킬로미터 간섭계(SKA)는 1991년에 처음 구상되었으며, 1993년에 국제 실무 그룹이 구성되어 2000년에 첫 번째 양해 각서가 체결되었다. 2005년 4월 11일, 호주 통신 및 미디어 당국은 머치슨 전파 천문대에 호주 첫 전파 정온 구역을 설정하였다.

2011년 4월, 영국 체셔에 있는 맨체스터 대학교 조드렐 뱅크 천문대가 프로젝트 본부 위치로 발표되었고, 2011년 11월, SKA 기구가 정부 간 기구로 설립되었다. 2012년 5월 25일, SKA는 남아프리카 및 아프리카 부지와 호주 및 뉴질랜드 부지로 분할 건설이 결정되었다. 뉴질랜드는 2014년에도 SKA 기구의 회원으로 남아 있었지만, 2019년 7월에 프로젝트에서 철수했다.

2015년 4월, SKA 프로젝트 본부는 영국 조드렐 뱅크 천문대에 위치하는 것으로 최종 선정되었으며, 2013년 5월 7일에는 SKA 본부가 완공되어 운용을 개시하였다. 2019년 3월 12일, 평방킬로미터 배열 관측소(SKAO)는 호주, 중국, 이탈리아, 네덜란드, 포르투갈, 남아프리카 및 영국 등 7개 초기 회원국에 의해 로마에서 설립되었다.

2018년 7월 13일에는 남아프리카 공화국 지역에서 선행 건설되었던 MeerKAT 망원경 64기가 정식 운용을 개시하였다. 2022년 12월 5일, 호주와 남아프리카에서 건설 단계가 시작되었으며, 2021년 6월 29일에는 계획에 참가하는 각국이 SKA 망원경의 건설 시작을 승인하였다. 2024년 1월 3일, 인도 정부는 SKA 프로젝트 참여를 승인하였다.

2.1. 초기 제안

3. 구성

SKA는 수천 킬로미터에 걸쳐 분포된 수천 개의 소형 안테나를 결합하여 구경 합성 기술을 사용, 높은 감도와 각 분해능을 가진 단일 거대 전파 망원경을 시뮬레이션한다. SKA의 일부 하위 배열은 매우 넓은 시야각(FOV)을 가지며, 초점면 배열의 사용, 위상 배열 기술을 통해 여러 FOV를 제공하여 관측 속도를 크게 증가시킨다. 여러 사용자가 서로 다른 하늘 부분을 동시에 관측 할 수 있다.

결합된 SKA는 광범위한 주파수 범위를 제공하며, 호주의 머치슨 광대역 배열은 저주파수 범위를, 남아프리카 공화국의 미어캣은 중주파수 범위를 제공한다. 50 MHz에서 14 GHz에 이르는 주파수 범위는 두 개 이상의 십진수에 걸쳐 있으며, 하나의 안테나 설계로는 실현될 수 없으므로 SKA는 SKA-low, SKA-mid 및 관측 배열을 구성할 서로 다른 유형의 안테나 요소의 별도 하위 배열로 구성될 것이다.

* SKA-low 배열: 50~350 MHz 주파수 범위를 커버하기 위한 단순 다이폴 안테나의 위상 배열이다. 256개의 수직 방향 이중 편파 다이폴 소자를 포함하는 40 m 직경의 스테이션으로 그룹화되며, 75%가 직경 2 km의 코어 내에, 나머지는 반경 50 km까지 뻗어있는 세 개의 나선형 팔에 위치한다.
* SKA-mid 배열: 350 MHz에서 14 GHz 주파수 범위를 커버하기 위해 수천 개의 접시 안테나 배열이다. (1단계에서 약 200개 건설 예정) 안테나 설계는 높이 15미터, 너비 12미터의 오프셋 그리 고리안 설계를 사용하는 앨런 망원경 배열의 설계를 따른다.
* SKA-관측 배열: 중간 주파수 범위를 위한 각각 직경 12~15미터의 포물선 접시 안테나의 소형 배열로, 다중 빔, 위상 배열 피드가 장착되어 있다. 2015년 "재기본화" 작업에 따라 SKA1 사양에서 제거되었다.

SKA가 커버하는 지역은 ~3000 km까지 뻗어 있으며, 다음 세 지역으로 구성된다.

* 중앙 지역: SKA-mid 안테나 (남아프리카 공화국)와 SKA-low 다이폴 (서호주)의 약 5 km 직경의 코어를 포함한다. SKA 배열의 전체 수집 면적의 약 절반이 포함된다.
* 중간 지역: 180 km까지 뻗어있다. SKA-mid 및 SKA-low 스테이션의 접시와 쌍이 포함되며, 접시와 스테이션의 밀도가 지역의 바깥쪽으로 갈수록 감소하면서 해당 지역 내에 무작위로 배치된다.
* 외부 지역: 180 km에서 3000 km에 이른다. SKA-mid의 접시가 20개의 접시로 구성된 스테이션으로 그룹화되어 위치할 다섯 개의 나선형 팔로 구성된다. 스테이션의 간격은 나선형 팔의 바깥쪽으로 갈수록 증가한다.

SKA는 비교적 높은 주파수의 전파를 수신하기 위한 "Dishes"라고 불리는 포물선 안테나와 낮은 주파수의 전파를 수신하기 위한 "Aperture arrays"라고 불리는 안테나군이라는 서로 다른 안테나가 건설될 예정이다.

Dishes는 구경 15m의 안테나 약 3000대로 구성된다. 개별 망원경의 구경은 그리 크지 않지만, 비교적 저예산으로 넓은 시야를 얻을 수 있다. 안테나군의 배치는 건설 및 케이블 부설 등 설치의 용이성, 해상도 및 비용 등을 고려하여 나선팔 배치로 결정되었으며, 아프리카 대륙의 수천 km에 걸쳐 설치될 예정이다.

Aperture Array는, 저주파 전파를 수신하는 "저주파 어레이"와, 고주파 전파를 수신하는 "중주파 어레이"는 수신기 모양이 다르다. 이들은 안테나로 전파를 반사·집광한 후 수신하는 Dishes와 달리, 노출된 수신부로 집광하지 않고 직접 수신한다. 중심부에서 200km 정도의 범위에 설치된다.

3.1. 주파수 범위

3.2. 하위 배열

SKA(평방킬로미터 간섭계)는 높은 주파수의 전파를 수신하기 위한 "Dishes"라고 불리는 포물선 안테나와 낮은 주파수의 전파를 수신하기 위한 "Aperture arrays"라고 불리는 안테나군으로 구성된다.

Dishes는 구경 15m의 안테나 약 3000대로 구성된다. 개별 망원경의 구경은 비교적 작지만, 비교적 저예산으로 넓은 시야를 확보할 수 있다. 안테나군은 나선팔 배치로 설치되며, 아프리카 대륙 수천 km에 걸쳐 설치될 예정이다.

Aperture Array는 저주파 전파를 수신하는 "저주파 어레이"와 고주파 전파를 수신하는 "중주파 어레이"는 수신기 모양이 다르다. 이들은 안테나로 전파를 반사, 집광한 후 수신하는 Dishes와 달리, 노출된 수신부로 직접 수신한다. 중심부에서 200km 정도의 범위에 설치된다.

3.3. 지역 구성

4. 건설 위치

SKA 본부는 영국 체셔에 있는 맨체스터 대학교의 조드렐 뱅크 천문대에 위치해 있으며, 망원경은 호주와 남아프리카 공화국에 설치될 예정이다.

SKA 망원경에 적합한 부지는 인공적인 전파 간섭이 매우 낮은 수준으로 보장되는 인구 밀도가 낮은 지역에 위치해야 한다. 남아프리카 공화국, 호주, 아르헨티나, 중국 등 4곳이 처음 제안되었다. 상당한 부지 평가 조사가 이루어진 후, 아르헨티나와 중국은 제외되었고 나머지 두 부지가 최종 후보로 선정되었다(뉴질랜드는 호주 입찰에 합류했고, 다른 8개 아프리카 국가가 남아프리카 공화국 입찰에 합류했다).
건설지는 2012년, 오스트레일리아 및 남아프리카를 중심으로 한 아프리카 지역으로 결정되었다.

SKA의 건설지는 당초 5곳이 후보로 거론되었지만, 최종 결정 전에는 오스트레일리아·뉴질랜드와 남아프리카 공화국이 남아 있었다. 모두, SKA에 필요한 조건(인공 전파가 적은 것, 안정된 기후, 건설에 필요한 비용, 광대한 범위에 펼쳐진 안테나를 잘 연결할 수 있는 것) 등을 충족하고 있었고, 2012년에 건설지 선정위원회의 투표에 의해 결정하기로 했다. 최종적으로 두 후보지 모두 똑같이 장점이 있다고 여겨져, 후보 2개 지역에 분산하여 건설하기로 했다.

SKA 유치를 위해, 2개 그룹 모두 시험적인 망원경(ASKAP, MeerKAT)이 건설되었다. 건설지 결정에 따라 ASKAP는 신기술의 시험대로 사용될 예정이며, MeerKAT는 SKA 시스템에 통합될 예정이다.

4.1. 호주

머치슨 전파천문대(MRO) 핵심 부지는 웨스턴 오스트레일리아 주의 불라디 근처 마일루라 역에 위치해 있으며, 제럴턴에서 북동쪽으로 315 km 떨어져 있다. 호주 지역은 저주파 관측을 담당하며, 저주파용 어퍼처 어레이 안테나가 설치될 예정이다. 머치슨 전파 천문대에는 호주 SKA 경로탐색기(ASKAP)가 건설되었다.

4.2. 남아프리카

핵심 부지는 해발 약 1000m 지점에 위치한 미어캣 국립공원에 있으며, 건조한 노던케이프주의 카루 지역에 있다. 보츠와나, 가나, 케냐, 마다가스카르, 모리셔스, 모잠비크, 나미비아 그리고 잠비아에도 원격 기지가 있다. 아프리카 지역은 중주파 관측을 담당하며, MeerKAT 64기를 포함한 포물선 안테나(최대 200기)가 설치된다.

건설 부지 결정 전, 남아프리카 공화국을 중심으로 나미비아, 보츠와나, 모잠비크, 마다가스카르, 모리셔스, 잠비아, 케냐, 가나에도 안테나를 설치할 계획으로 입후보했었다. 이 지역은 인구가 적고 인공 전파원이 적으며, 기후도 온화하여 관측 조건도 좋다고 평가받았다.

2011년에는 구경 13.5m의 포물선 안테나군인 MeerKAT의 첫 7기(KAT-7)가 완성되었고, 2018년에 64기 건설이 완료되어 정식 운영을 시작했다.

5. 회원

2021년 2월, SKAO 컨소시엄 회원국은 다음과 같았다:
* 오스트레일리아
* 캐나다
* 중국: 중국과학원
* 프랑스: 프랑스 국립과학연구센터
* 독일: 막스 플랑크 협회
* 인도
* 이탈리아
* 포르투갈
* 남아프리카 공화국
* 스페인
* 스웨덴
* 스위스: 로잔 연방 공과대학교
* 네덜란드
* 영국

2022년 12월 기준으로 16개 국가가 이 프로젝트에 참여하고 있다.

6. 전구체, 길잡이 및 설계 연구

전 세계적으로 많은 단체들이 SKA에 필요한 기술과 기법을 개발하기 위해 노력하고 있다. 이들의 국제 SKA 프로젝트 기여는 다음과 같이 분류된다.

* 전구체 시설: SKA 관련 활동을 수행하는 두 SKA 후보 부지 중 한 곳에 위치한 망원경.
* 길잡이: SKA 관련 기술, 과학 및 운영 활동을 수행하는 망원경 또는 프로그램.
* 설계 연구: 프로토타입 제작을 포함하여 SKA 설계의 하나 이상의 주요 하위 시스템에 대한 연구.

호주 SKA 패스파인더(ASKAP)는 1억 호주 달러 규모의 프로젝트로, 36개의 12m 접시 안테나 배열을 건설했다. 이 망원경은 넓은 시야를 제공하기 위해 위상 배열 피드와 같은 혁신적인 기술을 사용한다. ASKAP는 서호주 중서부 지역의 불라디 인근에 위치한 머치슨 전파천문대 부지에서 CSIRO에 의해 건설되었으며, 2012년 10월에 공식적으로 개통되었다.

미어캣(MeerKAT)은 64개의 13.5m 지름 안테나 배열로 구성된 남아프리카 공화국의 프로젝트이며, SKA 기술 개발을 지원하기 위해 건설되었다. KAT-7은 남아프리카 공화국 북케이프 주 카나번 근처 미어캣 국립공원에 위치하며 2012년에 가동되었고, 64개의 안테나가 모두 완성된 2018년 5월에 본격적으로 운영되었다. 안테나에는 580 MHz에서 최대 14 GHz까지의 주파수를 커버하는 여러 개의 고성능 단일 픽셀 피드가 장착되어 있다.

머치슨 광역 배열(MWA)은 서호주 머치슨 전파 천문대에서 2018년에 업그레이드된 운영을 시작한 80~300MHz 주파수 범위에서 작동하는 저주파 전파 간섭계이다.

수소 재이온화 시대 배열(HERA)은 남아프리카 공화국 미어캣 국립공원에 위치해 있다. 이 배열은 재이온화 시대 이전과 동안에 방출된 고도로 적색 편이된 원자 수소 방출을 연구하도록 설계되었다.

APERtif, 초장기선 간섭계, 전자 다중 빔 전파 천문학 컨셉(EMBRACE), e-MERLIN, 확장된 초대형 배열, 장파장 배열, SKA 몰롱고 프로토타입(SKAMP), NenuFAR, 거대 미터파 전파 망원경, 앨런 망원경 배열등이 평방킬로미터 간섭계 개발에 기여했다.

앨런 망원경 배열은 500MHz에서 11GHz에 이르는 주파수를 커버하는 광대역 단일 피드를 갖춘 혁신적인 6.1m 옵셋 그레고리안 안테나를 사용한다. 2017년까지 42개의 배열이 운영되었고, 350개까지 확장될 예정이었다. 안테나 설계는 저비용 제조 방법을 탐구했다.

국제 LOFAR 망원경은 1억 5천만 유로 규모의 네덜란드 주도 프로젝트로, 북유럽 전역에 걸쳐 있는 혁신적인 저주파 위상 배열 안테나이다. 10~240MHz의 저주파를 커버하는 완전 전자식 망원경으로, 2009년부터 2011년까지 가동되었다. LOFAR는 2017년에 SKA를 위한 핵심 처리 기술을 개발하고 있었다. 최대 2000km에 달하는 기선 덕분에, 넓은 시야각에서 아크초 미만의 각 분해능으로 이미지를 생성할 수 있다.

구경 배열 검증 프로그램, 캐나다 SKA 프로그램, SKA 사전 연구, SKA 설계 연구(SKADS) 등이 진행되었다. SKA 설계를 위한 기술 개발 프로젝트(TDP)는 안테나 및 급전 기술 개발을 위한 1200만 달러 규모의 프로젝트로, 2012년에 완료되었다.

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📌 열 고정 해제

SKA (평방킬로미터 간섭계) 선구자들의 데이터 과제

과제	사양
망원경에서 프로세서까지의 넓은 대역폭	안테나에서 상관기까지 ~10 Tbit/s (< 6 km), 상관기에서 프로세서까지 40 Gbit/s (~ 600 km)
큰 처리 능력	750 Tflop/s 예상/예산, 1 Pflop 희망
프로세서의 전력 소비	현장 1 MW, 프로세서 10 MW
파이프라인 처리 필수	데이터 유효성 검사, 소스 추출, 교차 식별 등 포함
데이터의 저장 및 기간	모든 제품을 보관할 경우 70 PB/yr, 현재 자금으로 5 PB/yr, 10 GB/s로 12시간의 데이터를 디스크에 쓰기 위해 8시간
사용자에 의한 데이터 검색	모든 데이터는 공개 도메인, VO 도구 및 서비스를 사용하여 액세스
데이터 집약적 연구	데이터 마이닝, 스태킹, 상호 상관 관계 등

6.1. 전구체 시설

호주 SKA 패스파인더(ASKAP)는 1억 호주 달러 규모의 프로젝트로, 36개의 12m 접시 안테나 배열을 건설했다. 이 망원경은 넓은 시야를 제공하기 위해 위상 배열 피드와 같은 혁신적인 기술을 사용한다. ASKAP는 서호주 중서부 지역의 불라디 인근에 위치한 머치슨 전파천문대 부지에서 CSIRO에 의해 건설되었으며, 2012년 10월에 공식적으로 개통되었다.

미어캣(MeerKAT)은 64개의 13.5m 지름 안테나 배열로 구성된 남아프리카 공화국의 프로젝트이며, SKA 기술 개발을 지원하기 위해 건설되었다. KAT-7은 남아프리카 공화국 북케이프 주 카나번 근처 미어캣 국립공원에 위치하며 2012년에 가동되었고, 64개의 안테나가 모두 완성된 2018년 5월에 본격적으로 운영되었다. 안테나에는 580 MHz에서 최대 14 GHz까지의 주파수를 커버하는 여러 개의 고성능 단일 픽셀 피드가 장착되어 있다.

머치슨 광역 배열(MWA)은 서호주 머치슨 전파 천문대에서 2018년에 업그레이드된 운영을 시작한 80~300MHz 주파수 범위에서 작동하는 저주파 전파 간섭계이다.

수소 재이온화 시대 배열(HERA)은 남아프리카 공화국 미어캣 국립공원에 위치해 있다. 이 배열은 재이온화 시대 이전과 동안에 방출된 고도로 적색 편이된 원자 수소 방출을 연구하도록 설계되었다.

6.2. 길잡이

APERtif, 초장기선 간섭계, 전자 다중 빔 전파 천문학 컨셉(EMBRACE), e-MERLIN, 확장된 초대형 배열, 장파장 배열, SKA 몰롱고 프로토타입(SKAMP), NenuFAR, 거대 미터파 전파 망원경, 앨런 망원경 배열등이 평방킬로미터 간섭계 개발에 기여했다.

앨런 망원경 배열은 500MHz에서 11GHz에 이르는 주파수를 커버하는 광대역 단일 피드를 갖춘 혁신적인 6.1m 옵셋 그레고리안 안테나를 사용한다. 2017년까지 42개의 배열이 운영되었고, 350개까지 확장될 예정이었다. 안테나 설계는 저비용 제조 방법을 탐구했다.

국제 LOFAR 망원경은 1억 5천만 유로 규모의 네덜란드 주도 프로젝트로, 북유럽 전역에 걸쳐 있는 혁신적인 저주파 위상 배열 안테나이다. 10~240MHz의 저주파를 커버하는 완전 전자식 망원경으로, 2009년부터 2011년까지 가동되었다. LOFAR는 2017년에 SKA를 위한 핵심 처리 기술을 개발하고 있었다. 최대 2000km에 달하는 기선 덕분에, 넓은 시야각에서 아크초 미만의 각 분해능으로 이미지를 생성할 수 있다.

6.3. 설계 연구

구경 배열 검증 프로그램, 캐나다 SKA 프로그램, SKA 사전 연구, SKA 설계 연구(SKADS) 등이 진행되었다. SKA 설계를 위한 기술 개발 프로젝트(TDP)는 안테나 및 급전 기술 개발을 위한 1200만 달러 규모의 프로젝트로, 2012년에 완료되었다.

7. 주요 연구 과제

평방킬로미터 간섭계(SKA)의 주요 연구 과제는 다음과 같다.

* 일반 상대성 이론의 극한 검증: 펄서를 중력파 감지기로 활용하거나, 블랙홀 주변 펄서의 시간을 측정하여, 극도로 휘어진 시공간 영역에서의 일반 상대성 이론의 한계를 조사한다. 목표는 알베르트 아인슈타인의 공간, 시간, 중력 묘사의 정확성을 검증하고, 일반 상대성 이론의 대안 필요성을 탐구하는 것이다.

* 은하, [[우주론]], [[암흑 물질]] 및 [[암흑 에너지]]: 10억 개의 은하를 매핑하여 우주의 대규모 구조를 밝혀내고, 은하 형성 및 진화 과정을 규명한다. 또한, 수소를 영상화하여 개별 은하와 은하단을 형성하는 초기 구조에 대한 3차원 그림을 제공하고, 암흑 에너지에 의한 우주 팽창 속도 증가를 측정한다. 암흑 에너지, 중력, 원시 우주, 및 기본적인 우주론 모델을 테스트한다.

* [[재이온화]] 시대: 빅뱅 후 암흑기와 최초의 빛에 대한 관측 데이터를 제공한다. 원시 가스 분포 관측을 통해 별과 은하 형성에 따른 우주의 점진적 변화를 확인한다. 최초의 빛 관측은 현재 세계 최대 전파 망원경보다 100배 강력한 망원경을 필요로 하며, 이는 100만 제곱미터(1제곱킬로미터)의 집광 면적에 해당한다.

* 우주 [[자기장]]: 우주 자기장의 형태와 진화, 그리고 그 역할을 조사한다. 멀리 떨어진 은하에서 오는 복사에 대한 자기장 영향을 매핑하여 연구를 진행한다.

* [[외계 생명체]] 탐색: "생명의 요람" 핵심 과학 프로그램은 다음 세 가지 목표에 초점을 맞춘다.
* 원시 행성 원반의 생명 가능 구역 관측
* 전생명 화학 물질 탐색
* 외계 지적 생명체 탐사(SETI)
SKA는 태양과 유사한 원시별의 생명 가능 구역을 탐사하여 지구형 행성이나 위성의 생명 발달 가능성을 확인한다. 별 주위 먼지에 새겨진 지구형 행성 형성 특징은 그 존재와 진화의 증거가 될 수 있으며, 생명체를 지탱할 수 있는 행성 탐지도 가능하다. 우주 생물학자들은 SKA를 통해 아미노산을 포함한 복잡한 유기 화합물을 우주에서 탐색한다. 또한, SKA는 근처 외계 생명체 문명의 전파 방출 "누출"을 감지할 수 있다.

8. 문제점

평방킬로미터 간섭계(SKA) 프로젝트는 여러 문제점에 직면하고 있다.

2007년 제정된 천문학 지리적 이점법은 남아프리카공화국의 천문학적 위치를 보호하고, 핵심 천문 장비 운영을 위협하는 활동을 금지한다. 그러나 2010년 로열 더치 셸이 카루 지역에서 셰일 가스를 수압 파쇄 방식으로 탐사하려 하면서 전파 간섭 증가 가능성이 제기되어 법 집행 의지에 대한 우려가 있었다.

남아프리카 금속 노동자 전국 연합(NUMSA)의 파업으로 인해 2014년 접시 설치가 지연되기도 했다. 남아프리카공화국의 농부, 기업, 개인들은 프로젝트에 반대하며, 전파 침묵 구역이 실업을 야기하고 농업 경제를 붕괴시킬 수 있다고 주장한다. 모잠비크의 원격 기지 위치는 홍수에 취약한 것으로 나타났다.

SKA의 예상 비용은 2014년 기준 18억 유로였으며, 1단계 비용은 6억 5천만 유로였다. 2022년 12월 현재, 전체 프로젝트 가치는 약 30억 호주 달러로 보고되었다. 30년에 가까운 역사 동안 여러 지연과 비용 상승이 있었다. 가장 큰 위험 요소는 예산 문제로, 2014년까지 예산이 확정되지 않았었다.

데이터 처리 및 저장 문제도 심각하다. 2011년 중반, 이 배열은 하루에 엑사바이트의 원시 데이터를 생성하고, 이를 10 페타바이트로 압축할 것으로 추정되었다. 상하이 천문대의 안 타오(An Tao)는 "이는 전 세계 인터넷 트래픽 전체를 훨씬 뛰어넘는 데이터 스트림을 생성할 것"이라고 말했다. 톈허-2 슈퍼컴퓨터가 소프트웨어 훈련에 사용되었다. 데이터 처리는 CSIRO 플랫폼에 통합된 Xilinx의 Virtex-7 프로세서에서 수행될 예정이다.

증가하는 인공위성에 의한 간섭과 건설 자금 문제 또한 제기되고 있다.