低周波アレイ

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座標：北緯52度54分32秒、東経 6度52分08秒 / 北緯52.90889度、東経6.86889度 / 52.90889; 6.86889
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SOSUSの低周波アナライザーおよびレコーダー (LOFAR) と混同しないでください。
低周波アレイ
オランダ、エクスロー近郊のLOFARコア。左側の2つの橋がそのスケール感を物語っている。
別名低周波アレイWikidataで編集する
場所オランダ、エクスローの北3km（コア）
座標北緯52度54分32秒 東経 6度52分08秒 / 北緯52.90889度、東経6.86889度 / 52.90889; 6.86889 Wikidataで編集する
組織アストロン
波長30～1.3m（無線）
建設された2006～2012年
望遠鏡スタイル合計約20,000個のダイポールアンテナのフェーズドアレイ
直径1000 km以上
収集エリア最大1 km 2
焦点距離該当なし
取り付け修理済み
Webサイトwww.lofar.org​​
低周波アレイはオランダにあります
低周波アレイ
低周波アレイの位置
  コモンズに関する関連メディア
[ウィキデータで編集]

低周波アレイ（LOFAR）は、アンテナネットワークが主にオランダにあり、2019年現在、他のヨーロッパ7か国に広がっている大型の電波望遠鏡です。もともとオランダ電波天文学研究所（ASTRON）によって設計・構築され、2010年にオランダのベアトリクス女王によって初めて公開されました。それ以来、最初は国際LOFAR望遠鏡（ILT）パートナーシップの代理としてASTRONによって運用され、現在はLOFAR ERIC by ASTRONによって運用されています。

LOFARは、最新の概念を使用した広大な全方向性アンテナアレイで構成されており、ほとんどのアレイアンテナとは異なり、個別のアンテナからの信号が直接電気的に接続されて単一の大きなアンテナとして機能することはありません。その代わりに、LOFARダイポールアンテナ（2種類）がステーションに分散されており、その中でアンテナ信号はアナログ電子機器で部分的に結合され、次にデジタル化され、ステーション全体で再び結合されます。この段階的なアプローチにより、アンテナステーションの天空の方向感度を設定および迅速に変更する際に大きな柔軟性が得られます。その後、すべてのステーションからのデータは光ファイバーを介して中央デジタルプロセッサに転送され、ソフトウェアで結合されて、ヨーロッパ全体のアンテナステーション間の最大距離に対応する分解能で従来の電波望遠鏡の皿をエミュレートします。

LOFARは、2019年以降52のステーションに集中している約20,000個の小型アンテナを使用する干渉計アレイです。これらのステーションのうち38はオランダ全土に分散しており、地域および国の資金提供を受けて建設されています。ドイツに6つのステーション、ポーランドに3つのステーション、フランス、イギリス、アイルランド、ラトビア、スウェーデンにそれぞれ1つのステーションがあり、さまざまな国、地域、地方の資金と所有権があります。 イタリアは2018年に正式に国際LOFAR望遠鏡（ILT）に加盟しました。ボローニャ近郊のメディチナにあるINAF観測所サイトでの建設は、アップグレードされた（いわゆるLOFAR2.0）ハードウェアが利用可能になり次第計画されています。[ 1 ] 他のヨーロッパ諸国のさらなるステーションは、さまざまな段階で計画されています。有効収集エリアの合計は、周波数とアンテナ構成に応じて約300,000平方メートルです。[ 2 ] 2014年まで、データ処理はオランダのフローニンゲン大学にあるBlue Gene/Pスーパーコンピュータによって行われていました。2014年以降、LOFARはGPUベースの相関器およびビームフォーマーであるCOBALTをこのタスクに使用しています。[ 3 ] LOFARは、スクエア・キロメートル・アレイの技術および科学の先駆者でもあります。

技術情報

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低周波アンテナと背景の電子機器室

LOFARは、250MHz以下の無線周波数における天文観測の感度を飛躍的に向上させるための革新的な取り組みとして構想されました。天文電波干渉計は通常、パラボラアンテナのアレイ（例：ワンマイル望遠鏡または超大型干渉計）、1次元アンテナのアレイ（例：モロンゴ天文台合成望遠鏡）、または全方向性アンテナの2次元アレイ（例：アントニー・ヒューイッシュの惑星間シンチレーションアレイ）のいずれかで構成されます。

LOFARは、これらの初期の望遠鏡の多くの特徴を組み合わせたものです。特に、個々のステーションにおいて全方向性ダイポールアンテナをフェーズドアレイの要素として使用し、 1950年代に開発された開口合成技術を用いてそれらのフェーズドアレイを合成します。初期のケンブリッジ低周波合成望遠鏡（CLFST）低周波電波望遠鏡と同様に、LOFARの設計は、可動部品のない比較的安価な多数のアンテナをステーションに集中させ、マッピングを開口合成ソフトウェアを用いて行うことに重点を置いています。ステーションの観測方向（「ビーム」）は、アンテナ間の位相遅延によって電子的に選択されます。LOFARは、総データレートが上限以下である限り、複数の方向を同時に観測できます。これにより、原理的にはマルチユーザー運用が可能になります。[ 4 ]

LOFARは、10MHzから240MHzの周波数範囲で観測を行います。2種類のアンテナ、すなわち10～80MHzと120～240MHzに最適化された低帯域アンテナ（LBA）と高帯域アンテナ（HBA）を用いて観測を行います。[ 5 ] LOFARステーションからの電気信号はデジタル化され、中央デジタルプロセッサに送られ、ソフトウェアで統合されて天空の地図が作成されます。したがって、LOFARは「ソフトウェア望遠鏡」です。[ 6 ]このような望遠鏡のコストは主に電子機器のコストによって決まり、ムーアの法則に従って時間の経過とともに安価になり、より大型の望遠鏡を建設できるようになります。各アンテナは非常にシンプルですが、LOFARアレイには約2万個のアンテナが配置されています。[ 4 ]

LOFARステーション

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十分な解像度で天空の電波調査を行うため、アンテナは直径1000 km以上の範囲に分散して設置されている。オランダのLOFAR局は、基線長が約100 kmである。LOFARは現在、24のコア局（オランダ領ローレンス）と14の「リモート」局（オランダ国内）、そして14の国際局からデータを受信して​​いる。コア局とリモート局はそれぞれ48台のHBAと96台のLBAを備え、合計48台のデジタル受信ユニット（RCU）を備えている。国際局は96台のLBAと96台のHBAを備え、合計96台のデジタル受信ユニット（RCU）を備えている。[ 7 ]

バート・ミュンスターアイフェル＝エッフェルスベルクにある直径60メートルのLOFARステーション（96台のダイポールアンテナ（前景））と、その隣にある100メートル電波望遠鏡（背景）は、どちらもドイツのボンにあるマックス・プランク電波天文学研究所が運営している。

国際 LOFAR ステーションの所在地は次のとおりです。

オファリー州ビルにあるアイルランド LOFAR アレイ (I-LOFAR)

ネヌファー

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ナンセーLOFAR（NenuFAR）望遠鏡の拡張は、フランス中部にあるナンセー電波望遠鏡に併設されています。これはナンセーLOFAR局（FR606）の拡張であり、直径約400mの円状に19本のクロスダイポールアンテナからなる「ミニアレイ」を96枚設置しています。タイルは、アナログ位相のアンテナを備えた六角形のクラスターです。この望遠鏡は10～85MHzの周波数帯域を捕捉でき、LOFAR低帯域（30～80MHz）もカバーしています。NenuFARアレイは、高感度LOFAR互換のスーパーLBA（LSS）局として機能し、他のLOFARと連携することでアレイ全体の感度を約2倍に高め、アレイの撮像能力を向上させます。また、アレイの可用性を向上させるための第2スーパーコアとしても機能します。専用受信機を搭載しているため、NenuFARはスタンドアロン機器としても動作可能で、このモードではNenuFAR/Standaloneと呼ばれます。[ 18 ] [ 19 ]

その他の駅

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さらに、フィンランドのキルピスヤルヴィ近郊にあるKAIRA（キルピスヤルヴィ大気画像受信アレイ）には、LOFARアンテナ一式が設置されている。この設備は、スタンドアロンモード、またはトロムソのEISCAT送信機と組み合わせたバイスタティックレーダーシステムの一部として、 VHF受信機として機能する。[ 20 ]

データ転送

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データ転送要件はステーションあたり数ギガビット/秒の範囲であり、必要な処理能力は数十テラフロップスです。LOFARからのデータはLOFAR長期アーカイブに保存されます。[ 21 ]アーカイブは分散ストレージとして実装されており、データはフローニンゲン大学ドナルド・スミッツ情報技術センター内のターゲットデータセンター、アムステルダムのSURFsara  [ nl ]センター、ドイツのユーリッヒ研究センターに分散されています。

感度

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LOFAR の使命は、7Cおよび8C調査、超大型干渉電波望遠鏡(VLA) および巨大メートル波電波望遠鏡 (GMRT) による調査などの以前の調査よりも高い解像度と感度で、約 10～240 MHzの無線周波数で宇宙の地図を作成することです。

LOFARは、2020年代後半に平方キロメートルアレイ（SKA）が稼働するまで、低い観測周波数において最も感度の高い電波観測所となるでしょう。稼働開始後も、SKAは50MHzを超える周波数でのみ観測を行うため、LOFARの角度分解能はSKAをはるかに上回ります。

科学事例

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低い電波周波数では、空は小さな明るい源によって占められています（図は151MHzの領域地図です：銀河経度140°～180°、銀河緯度-5°～5°）。LOFARは、非常に多くのアレイ素子を搭載しているため、これらの明るい源の間にあるかすかな構造を捉えるのに十分な忠実度と感度を備えています。

LOFARが達成可能な感度と空間分解能は、宇宙に関するいくつかの基礎的な新研究を可能にするだけでなく、地球環境に関する独自の実用的な調査も促進します。以下のリストにおいて、zはLOFARが観測する電波源の赤方偏移を示す無次元量です。

主要プロジェクト

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再イオン化の時代

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LOFARの最もエキサイティングでありながら技術的に最も難しい応用の一つは、再電離期（EoR）からの赤方偏移した21 cm線放射の探索です。 [ 23 ]宇宙が再結合後に中性になった期間である「暗黒時代」は、z = 20頃まで続いたと考えられています。WMAPの偏光結果は、再電離の段階が長く、あるいは複数回あった可能性を示唆しているようで、始まりはおそらくz ~ 15–20で終わり、z ~ 6で終わります。LOFARを使用すると、z = 11.4（115 MHz）からz = 6（200 MHz）の赤方偏移範囲を調べることができます。予想される信号は小さく、はるかに強い前景放射と分離するのは困難です。

深宇宙探査

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LOFARの最も重要な用途の1つは、広天調査の実施である。このような調査はLOFARの特性に非常に適しており、発足当初からLOFARを推進してきた主要プロジェクトの1つに指定されている。アクセス可能な空を複数の周波数で深くLOFAR調査することにより、大質量ブラックホール、銀河、銀河団の形成など、天体物理学のいくつかの基礎領域を調査するための独自の電波源カタログが提供される。LOFAR調査は宇宙の未探査のパラメータを探査するため、新しい現象が発見される可能性が高い。2021年2月、天文学者たちはLOFARによって検出された超低周波電波に基づいて、北天の4%をカバーする25,000個の活動的な超大質量ブラックホールの非常に高解像度の画像を初めて公開した。[ 24 ]

過渡的電波現象とパルサー

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低周波、全方向性アンテナ、高速データ転送およびコンピューティングの組み合わせにより、LOFAR は電波天空の監視の新時代を切り開きます。オランダから見える全天 (全天の約 60%) の高感度電波マップを一晩で作成することが可能になります。これまでの狭い視野の調査ではヒントしか見つからなかった過渡的な電波現象が発見され、前例のない精度で迅速に位置が特定され、他の施設 (ガンマ線、可視光線、X 線観測所など) のデータと自動的に比較されます。このような過渡現象は、爆発する星、ブラックホール、太陽のような星のフレア、太陽系外惑星からの電波バースト、さらにはSETI信号と関係している可能性があります。[ 25 ]さらに、この重要な科学プロジェクトでは、低い無線周波数で電波パルサーを詳細に調査し、遠方の銀河で回転する中性子星からの巨大電波バーストの検出を試みます。

超高エネルギー宇宙線

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LOFARは、10から1000万エネルギーの高エネルギー宇宙線と超高エネルギー宇宙線（HECRとUHECR）の起源を研究するための、素粒子物理学におけるユニークな可能性を提供します。15～1020.5 eVである[ 26 ] 。粒子が加速される場所とプロセスは両方とも不明です。これらのHECRの発生源の候補としては、強力な電波銀河の電波ローブの衝撃波、銀河形成期に作られた銀河間衝撃波、いわゆる超新星、ガンマ線バースト、あるいは初期宇宙の相転移から残ったトポロジカル欠陥からの超大質量粒子の崩壊生成物などが考えられます。主な観測量は、主要なCRが大気圏に衝突して広範な空気シャワー（EAS）を発生させる際に生成される強力な電波パルスです。EASは主要な粒子の運動方向に沿って整列し、その大部分は地球磁気圏内で電波を放出する電子陽電子対（例えば、地球シンクロトロン放射）で構成されています。

宇宙磁気

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LOFARは、これまで未探査であった低エネルギーシンクロトロン電波の探査への窓を開く。このシンクロトロン電波は、弱い磁場中の宇宙線電子から放射される。宇宙磁場の起源と進化については、ほとんど何も分かっていない。銀河の周囲や銀河と銀河の間の空間はすべて磁気圏にある可能性があり、LOFARはそのような領域からの微弱な電波放射を検出する最初の探査機となる可能性がある。LOFARはまた、低周波電波の偏光面の回転であるファラデー効果も測定し、弱い磁場を検出するための新たな手段を提供する。[ 27 ]

太陽物理学と宇宙天気

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太陽は強力な電波源です。106Kの高温の太陽コロナには、フレアやコロナ質量放出（CME）といった太陽活動に伴う強力な電波バーストが重畳しています。LOFAR周波数帯域の太陽電波は、中層コロナと上層コロナから放射されています。そのため、LOFARは惑星間空間に向かうCMEの放出を研究するのに理想的な装置です。LOFARの撮像能力は、そのようなCMEが地球に衝突する可能性に関する情報を提供します。そのため、LOFARは宇宙天気研究にとって貴重な装置となっています。

LOFARによる太陽観測には、宇宙天気の根源である太陽活動の日常的な監視が含まれます。さらに、LOFARの柔軟性により、太陽電波バーストへの迅速な対応と追跡観測が可能になります。太陽フレアは高エネルギー電子を発生させ、非熱的太陽電波放射の放出につながるだけでなく、X線も放出して周囲のプラズマを加熱します。そのため、RHESSI、ひので、太陽観測衛星（SDO）、そして最終的には先端技術太陽望遠鏡（ATT）やソーラーオービターといった地上および宇宙に設置された他の観測機器との共同観測キャンペーンは、この基本的な天体物理学的プロセスに関する知見をもたらします。

タイムライン

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フローニンゲン大学の「スミッツボルグ」ビル。LOFARのコンピューティングセンターが入居している。

1990年代初頭、オランダ電波天文学研究所（ASTRON）は、電波天文学のためのアパーチャアレイ技術の研究を活発に進めていました。同時に、低周波電波望遠鏡への科学的関心がASTRONとオランダの大学で高まり始めました。1999年には実現可能性調査が実施され、国際的なパートナーが模索されました。2000年には、オランダの関心あるすべての大学部門とASTRONの代表者からなるオランダLOFAR運営委員会がASTRON理事会によって設立されました。

2003年11月、オランダ政府はBsikプログラムに基づき、LOFARのインフラ整備に5,200万ユーロを割り当てました。Bsikのガイドラインに従い、LOFARは地球物理学、コンピュータ科学、農業、そして天文学の研究を促進するための多分野センサーアレイとして資金提供を受けました。

2003年12月、LOFARの初期試験ステーション（ITS）が運用を開始しました。ITSシステムは60個の逆V字型ダイポールアンテナで構成され、各ダイポールアンテナは低雑音増幅器（LNA）に接続されています。LNAは入力信号を増幅し、110メートル（360フィート）の同軸ケーブルを介して受信ユニット（RCU）まで伝送します。

2005年4月26日、LOFARのデータ処理のため、フローニンゲン大学数学センターにIBM Blue Gene/Lスーパーコンピュータが設置されました。当時、このスーパーコンピュータはバルセロナのMareNostrumに次いでヨーロッパで2番目に強力なスーパーコンピュータでした。[ 28 ] 2014年以降、さらに強力な計算クラスター（相関器）であるCOBALTが、すべての個々の観測所からの信号の相関処理を行っています。[ 29 ]

2006年8月/9月、最初のLOFARステーション（コアステーションCS001、別名CS1 52°54′32″N 6°52′8″E）が試作ハードウェアを用いて現場に設置されました。合計96基のデュアルダイポールアンテナ（完全なLOFARステーションに相当）が4つのクラスターにグループ化されており、中央のクラスターには48基のダイポールアンテナ、他の3つのクラスターにはそれぞれ16基のダイポールアンテナが設置されています。各クラスターの大きさは約100メートル（330フィート）で、クラスターは直径約500メートルの範囲に分布しています。  / 北緯52.90889度、東経6.86889度 / 52.90889; 6.86889

2007年11月、エッフェルスベルク100m電波望遠鏡の隣に設置された最初の国際LOFAR局（DE601 ）が運用開始となった。LOFARコアの端に位置する最初の完全完成局（ CS302）は2009年5月に完成し、オランダ国内の40局は2013年に完成予定である。2014年までに、オランダ国内38局、ドイツ国内5局（エッフェルスベルク、タウテンブルク、ウンターヴァイレンバッハ、ボルニム/ポツダム、ユーリッヒ）、イギリス（チルボルトン）、フランス（ナンチャイ）、スウェーデン（オンサラ）に各1局が運用開始した。アイルランドのビルの局は2017年に追加された。 [ 30 ]

LOFARは2010年6月12日にオランダのベアトリクス女王によって正式に開設されました。[ 31 ]定期的な観測は2012年12月に開始されました。[要出典]

参照

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参考文献

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  1. ^ a b 「LOFAR 2.0に期待すること：LOFARがイタリアに拡大」 ASTRON 2020年6月18日。
  2. ^ 「System Capabilities | ASTRON」 2017年10月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年10月4日閲覧。
  3. ^ ブルケマ、P. クリス;モル、J. ジャン・デイヴィッド;ニジボーア、R.アスファルト州ヴァン・エイムスフォールト。マサチューセッツ州ブレンチェンス。ルース、G. マルセル。クライン、WFA;ロメイン、JW（2018）。 「Cobalt: LOFAR 用の GPU ベースの相関器およびビームフォーマー」。天文学とコンピューティング。23 : 180–192.arXiv : 1801.04834 。​​ Bibcode : 2018A&C....23..180B。土井：10.1016/j.ascom.2018.04.006。S2CID 64719934。 
  4. ^ a b Van Haarlem, MP; et al. (2013). 「LOFAR概要」 .天文学と天体物理学. 556. arXiv: 1305.3550. Bibcode : 2013A & A ... 556A ... 2V . doi : 10.1051/0004-6361/201220873 . S2CID 4668405 . 
  5. ^ 「アンテナの説明」 . ASTRON . 2025年3月26日閲覧。
  6. ^ 「LOFAR ソフトウェア望遠鏡のマルチコア処理」(PDF)。 [リンク切れ]
  7. ^ 「LOFARステーション：説明とレイアウト」 ASTRON。2015年5月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年5月12日閲覧。
  8. ^ "LOFAR-BG" . 2023年5月17日閲覧。
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  10. ^ 「ドイツのLOFAR局」 ASTRON。2017年12月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年5月12日閲覧。
  11. ^ 「低周波アレイ（LOFAR）」。
  12. ^ “LOFAR: Radioastronomie im digitalen Zeitalter” .[リンク切れ]
  13. ^ 「LOFAR-Station Norderstedt」 .
  14. ^ “The BUild – I-LOFAR” . 2018年6月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年12月28日閲覧。
  15. ^ 「オンサラ宇宙天文台のLOFAR」チャルマース工科大学. 2015年5月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年5月12日閲覧。
  16. ^ “Onsala Space Observatory Division | Chalmers” . www.chalmers.se . 2021年8月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年8月15日閲覧。
  17. ^ "LOFAR:UK" . ASTRON. 2015年5月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年5月12日閲覧。
  18. ^ 「LOFARからNenuFARへ」(PDF) 。 2019年2月21日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2017年6月21日閲覧。
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  20. ^ McKay-Bukowski他 (2015). 「KAIRA: キルピスヤルヴィ大気画像受信アレイ — システム概要と初成果」 IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 53 ( 3): 1440– 1451. Bibcode : 2015ITGRS..53.1440M . doi : 10.1109/TGRS.2014.2342252 .
  21. ^ Belikov, A.; Boxhoorn, D.; Dijkstra, F.; Holties, HA; Vriend, W.-J (2011). 「LOFAR長期アーカイブのターゲット：アーキテクチャと実装」. Proc. Of ADASS XXI, ASP Conf. Series . 461 : 693. arXiv : 1111.6443 . Bibcode : 2012ASPC..461..693B .
  22. ^ Fender, RP (2007年6月12～15日). 「LOFARトランジェントと電波天空モニター」. 「バースト、パルス、そしてフリッカー：ダイナミック電波天空の広域モニタリング」議事録. ケラスタリ、トリポリス、ギリシャ. p. 30.書誌コード: 2007wmdr.confE..30F .
  23. ^ 「再イオン化の時代」 lofar.org. 2017年10月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年2月23日閲覧。
  24. ^ スター、ミシェル（2021年2月22日）「この画像に写っている白い点は星でも銀河でもない。ブラックホールだ」 ScienceAlert 。 2021年2月22日閲覧。
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  26. ^ LOFAR Science Case: Ultra High Energy Cosmic Rays Archived 2005-11-10 at the Wayback Machine
  27. ^ scholarpedia.org
  28. ^ 「TOP500リスト – 2005年6月」。2009年11月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年5月24日閲覧。
  29. ^ COBALT LOFAR用の新しい相関器。2013
  30. ^ 「I-LOFARの構築」アイルランド低周波アレイ（I-LOFAR） . 2025年3月15日閲覧。
  31. ^ "ASTRON" . 2011年7月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年6月13日閲覧。
[編集]
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    低周波アレイ
    オランダ、エクスロー近郊のLOFARコア。左側の2つの橋がそのスケール感を物語っている。
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    場所オランダ、エクスローの北3km（コア）
    座標北緯52度54分32秒 東経6度52分08秒 / 北緯52.90889度 東経6.86889度 / 52.90889; 6.86889
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    波長30～1.3m（無線）
    建設された2006～2012年
    望遠鏡スタイル合計約20,000個のダイポールアンテナのフェーズドアレイ
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    低周波アレイ（LOFAR）は、アンテナネットワークが主にオランダにあり、2019年現在、他のヨーロッパ7か国に広がっている大型の電波望遠鏡です。もともとオランダ電波天文学研究所（ASTRON）によって設計・構築され、2010年にオランダのベアトリクス女王によって初めて公開されました。それ以来、最初は国際LOFAR望遠鏡（ILT）パートナーシップの代理としてASTRONによって運用され、現在はLOFAR ERIC by ASTRONによって運用されています。

    LOFARは、最新の概念を使用した広大な全方向性アンテナアレイで構成されており、ほとんどのアレイアンテナとは異なり、個別のアンテナからの信号が直接電気的に接続されて単一の大きなアンテナとして機能することはありません。その代わりに、LOFARダイポールアンテナ（2種類）がステーションに分散されており、その中でアンテナ信号はアナログ電子機器で部分的に結合され、次にデジタル化され、ステーション全体で再び結合されます。この段階的なアプローチにより、アンテナステーションの天空の方向感度を設定および迅速に変更する際に大きな柔軟性が得られます。その後、すべてのステーションからのデータは光ファイバーを介して中央デジタルプロセッサに転送され、ソフトウェアで結合されて、ヨーロッパ全体のアンテナステーション間の最大距離に対応する分解能で従来の電波望遠鏡の皿をエミュレートします。

    LOFARは、2019年以降52のステーションに集中している約20,000個の小型アンテナを使用する干渉計アレイです。これらのステーションのうち38はオランダ全土に分散しており、地域および国の資金提供を受けて建設されています。ドイツに6つのステーション、ポーランドに3つ、フランス、イギリス、アイルランド、ラトビア、スウェーデンにそれぞれ1つのステーションがあり、さまざまな国、地域、地方の資金と所有権があります。 イタリアは2018年に正式に国際LOFAR望遠鏡（ILT）に加盟しました。ボローニャ近郊のメディチナにあるINAF観測所サイトでの建設は、アップグレードされた（いわゆるLOFAR2.0）ハードウェアが利用可能になり次第計画されています。[1] 他のヨーロッパ諸国のさらなるステーションは、さまざまな段階で計画されています。有効収集エリアの合計は、周波数とアンテナ構成に応じて約300,000平方メートルです。[2] 2014年まで、データ処理はオランダのフローニンゲン大学にあるBlue Gene/Pスーパーコンピュータによって行われていました。2014年以降、LOFARではGPUベースの相関器およびビームフォーマーであるCOBALTをこのタスクに使用しています。[3] LOFARは、スクエア・キロメートル・アレイの技術および科学の先駆者でもあります。

    技術情報

    低周波アンテナと背景の電子機器室

    LOFARは、250MHz以下の無線周波数における天文観測の感度を飛躍的に向上させるための革新的な取り組みとして構想されました。天文電波干渉計は通常、パラボラアンテナのアレイ（例：ワンマイル望遠鏡または超大型干渉計）、1次元アンテナのアレイ（例：モロンゴ天文台合成望遠鏡）、または全方向性アンテナの2次元アレイ（例：アントニー・ヒューイッシュの惑星間シンチレーションアレイ）のいずれかで構成されます。

    LOFARは、これらの初期の望遠鏡の多くの特徴を組み合わせたものです。特に、個々の観測局において全方向性ダイポールアンテナをフェーズドアレイの要素として使用し、 1950年代に開発された開口合成技術を用いてそれらのフェーズドアレイを合成します。初期のケンブリッジ低周波合成望遠鏡（CLFST）低周波電波望遠鏡と同様に、LOFARの設計は、可動部品のない比較的安価な多数のアンテナを観測局に集中させ、開口合成ソフトウェアを用いてマッピングを行うことに重点を置いています。観測局の観測方向（「ビーム」）は、アンテナ間の位相遅延によって電子的に選択されます。LOFARは、総データレートが上限以下である限り、複数の方向を同時に観測できます。これにより、原理的にはマルチユーザー運用が可能になります。[4]

    LOFARは、10MHzから240MHzの周波数範囲で観測を行います。2種類のアンテナ、すなわち10～80MHzと120～240MHzに最適化された低帯域アンテナ（LBA）と高帯域アンテナ（HBA）を用いて観測を行います。[5] LOFARステーションからの電気信号はデジタル化され、中央デジタルプロセッサに送られ、ソフトウェアで統合されて天空の地図が作成されます。したがって、LOFARは「ソフトウェア望遠鏡」です。[6]このような望遠鏡のコストは主に電子機器のコストによって決まり、ムーアの法則に従って時間の経過とともに安価になり、より大型の望遠鏡を建設できるようになります。各アンテナは非常にシンプルですが、LOFARアレイには約2万個のアンテナが配置されています。[4]

    LOFARステーション

    十分な解像度で天空の電波調査を行うため、アンテナは直径1000 kmを超える範囲に分散して設置されている。オランダのLOFAR局は、基線長約100 kmである。LOFARは現在、24のコア局（オランダ領ローレンス）と14の「リモート」局（オランダ国内）、そして14の国際局からデータを受信して​​いる。コア局とリモート局はそれぞれ48台のHBAと96台のLBA、そして合計48台のデジタル受信ユニット（RCU）を備えている。国際局は96台のLBAと96台のHBA、そして合計96台のデジタル受信ユニット（RCU）を備えている。[7]

    バート・ミュンスターアイフェル＝エッフェルスベルクにある直径60メートルのLOFARステーション（96台のダイポールアンテナ（前景））と、その隣にある100メートル電波望遠鏡（背景）は、どちらもドイツのボンにあるマックス・プランク電波天文学研究所が運営している。

    国際 LOFAR ステーションの所在地は次のとおりです。

    オファリー州ビルにあるアイルランド LOFAR アレイ (I-LOFAR)

    ネヌファー

    ナンセーLOFAR（NenuFAR）望遠鏡の拡張は、フランス中部にあるナンセー電波望遠鏡に併設されています。これはナンセーLOFAR局（FR606）の拡張であり、直径約400mの円状に19本のクロスダイポールアンテナからなる「ミニアレイ」を96枚設置しています。タイルは、アナログ位相のアンテナを備えた六角形のクラスターです。この望遠鏡は10～85MHzの周波数帯域を捕捉でき、LOFAR低帯域（30～80MHz）もカバーしています。NenuFARアレイは、高感度LOFAR互換のスーパーLBA（LSS）局として機能し、他のLOFARと連携することでアレイ全体の感度を約2倍に高め、アレイの撮像能力を向上させます。また、アレイの可用性を向上させるための第2スーパーコアとしても機能します。専用受信機を搭載しているため、NenuFARはスタンドアロン機器としても動作可能であり、このモードではNenuFAR/Standaloneと呼ばれます。[18] [19]

    その他の駅

    さらに、フィンランドのキルピスヤルビ近郊にあるKAIRA（キルピスヤルビ大気画像受信アレイ）には、LOFARアンテナ一式が設置されています。この設備は、スタンドアロンモード、またはトロムソのEISCAT送信機と組み合わせたバイスタティックレーダーシステムの一部として、 VHF受信機として機能します。[20]

    データ転送

    データ転送要件はステーションあたり数ギガビット/秒の範囲であり、必要な処理能力は数十テラフロップスです。LOFARからのデータはLOFAR長期アーカイブに保存されます。[21]アーカイブは分散ストレージとして実装されており、データはフローニンゲン大学ドナルド・スミッツ情報技術センター内のターゲットデータセンター、アムステルダムのSURFsara  [nl]センター、ドイツのユーリッヒ研究センターに分散されています。

    感度

    LOFAR の使命は、7Cおよび8C調査、超大型干渉電波望遠鏡(VLA) および巨大メートル波電波望遠鏡 (GMRT) による調査などの以前の調査よりも高い解像度と感度で、約 10～240 MHzの無線周波数で宇宙の地図を作成することです。

    LOFARは、2020年代後半に平方キロメートルアレイ（SKA）が稼働するまで、低い観測周波数において最も感度の高い電波観測所となるでしょう。稼働開始後も、SKAは50MHzを超える周波数でのみ観測を行うため、LOFARの角度分解能はSKAをはるかに上回ります。

    科学事例

    低い電波周波数では、空は小さな明るい源によって占められています（図は151MHzの領域地図です：銀河経度140°～180°、銀河緯度-5°～5°）。LOFARは、非常に多くのアレイ素子を搭載しているため、これらの明るい源の間にあるかすかな構造を捉えるのに十分な忠実度と感度を備えています。

    LOFARが達成可能な感度と空間分解能は、宇宙に関するいくつかの基礎的な新研究を可能にするだけでなく、地球環境に関する独自の実用的な調査も促進します。以下のリストにおいて、zはLOFARが観測する電波源の赤方偏移を示す無次元量です。

    主要プロジェクト

    再イオン化の時代

    LOFARの最もエキサイティングでありながら技術的に最も困難な応用の一つは、再電離期（EoR）からの赤方偏移した21cm線放射の探索です。 [23]宇宙が再結合後に中性になった「暗黒時代」は、z=20頃まで続いたと考えられています。WMAPの偏光結果は、再電離の段階が長期間、あるいは複数回存在した可能性を示唆しており、その始まりはz~15～20頃でz~6で終了したと考えられます。LOFARを用いることで、z=11.4（115MHz）からz=6（200MHz）までの赤方偏移範囲を調べることができます。期待される信号は小さく、はるかに強い前景放射と分離するのは困難です。

    深宇宙探査

    LOFARの最も重要な用途の一つは、広天調査の実施である。このような調査はLOFARの特性に非常に適しており、LOFAR発足当初から推進してきた主要プロジェクトの1つに指定されている。アクセス可能な空を複数の周波数で深くLOFAR調査することにより、大質量ブラックホール、銀河、銀河団の形成など、天体物理学のいくつかの基礎領域を調査するための独自の電波源カタログが得られる。LOFAR調査は宇宙の未踏のパラメータを探査するため、新しい現象が発見される可能性が高い。2021年2月、天文学者たちはLOFARによって検出された超低周波電波に基づいて、北天の4%をカバーする25,000個の活動的な超大質量ブラックホールの非常に高解像度の画像を初めて公開した。[24]

    過渡的電波現象とパルサー

    低周波、全方向性アンテナ、高速データ転送およびコンピューティングの組み合わせにより、LOFAR は電波天空の監視の新時代を切り開きます。オランダから見える全天 (全天の約 60%) の高感度電波マップを、一晩で作成することが可能になります。これまでの狭い視野の調査ではヒントしか見つからなかった過渡的な電波現象が発見され、前例のない精度で迅速に位置が特定され、他の施設 (ガンマ線、可視光線、X 線観測所など) のデータと自動的に比較されます。このような過渡現象は、爆発する星、ブラックホール、太陽のような星のフレア、太陽系外惑星からの電波バースト、あるいはSETI信号と関係している可能性があります。[25]さらに、この重要な科学プロジェクトでは、低周波の電波パルサーを詳細に調査し、遠方の銀河で回転する中性子星からの巨大電波バーストの検出を試みます。

    超高エネルギー宇宙線

    LOFARは、10から1000万エネルギーの高エネルギー宇宙線と超高エネルギー宇宙線（HECRとUHECR）の起源を研究するための、素粒子物理学におけるユニークな可能性を提供します。15～1020.5 eVである[26] 。加速粒子の場所とプロセスは両方とも不明です。これらのHECRの発生源の候補としては、強力な電波銀河の電波ローブの衝撃波、銀河形成期に作られた銀河間衝撃波、いわゆる超新星、ガンマ線バースト、あるいは初期宇宙の相転移から残ったトポロジカル欠陥からの超大質量粒子の崩壊生成物などが挙げられます。主要な観測量は、主要なCRが大気圏に衝突して広範な空気シャワー（EAS）を発生させる際に生成される強力な電波パルスです。EASは主要な粒子の運動方向に沿って整列し、その大部分は地球磁気圏内で電波を放出する電子陽電子対（例えば、地球シンクロトロン放射）で構成されています。

    宇宙磁気

    LOFARは、これまで未探査であった低エネルギーシンクロトロン電波の探査を可能にする。この電波は、弱い磁場中の宇宙線電子から放射される。宇宙磁場の起源と進化については、ほとんど何も分かっていない。銀河の周囲や銀河間の空間はすべて磁気圏にある可能性があり、LOFARはそのような領域からの微弱な電波放射を検出する初めての観測装置となる可能性がある。LOFARはまた、低周波電波の偏光面の回転であるファラデー効果も測定し、弱い磁場を検出するための新たな手段を提供する。[27]

    太陽物理学と宇宙天気

    太陽は強力な電波源です。106Kの高温の太陽コロナには、フレアやコロナ質量放出（CME）といった太陽活動に伴う強力な電波バーストが重畳しています。LOFAR周波数帯域の太陽電波は、中層コロナと上層コロナから放射されています。そのため、LOFARは惑星間空間に向かうCMEの放出を研究するのに理想的な装置です。LOFARの撮像能力は、そのようなCMEが地球に衝突する可能性に関する情報を提供します。そのため、LOFARは宇宙天気研究にとって貴重な装置となっています。

    LOFARによる太陽観測には、宇宙天気の根源である太陽活動の日常的な監視が含まれます。さらに、LOFARの柔軟性により、太陽電波バーストへの迅速な対応と追跡観測が可能になります。太陽フレアは高エネルギー電子を発生させ、非熱的太陽電波放射の放出につながるだけでなく、X線も放出して周囲のプラズマを加熱します。そのため、RHESSI、ひので、太陽観測衛星（SDO）、そして最終的には先端技術太陽望遠鏡（ATT）やソーラーオービターといった地上および宇宙に設置された他の観測機器との共同観測キャンペーンは、この基本的な天体物理学的プロセスに関する知見をもたらします。

    タイムライン

    フローニンゲン大学の「スミッツボルグ」ビル。LOFARのコンピューティングセンターが入居している。

    1990年代初頭、オランダ電波天文学研究所（ASTRON）は、電波天文学のためのアパーチャアレイ技術の研究を活発に進めていました。同時に、低周波電波望遠鏡への科学的関心がASTRONとオランダの大学で高まり始めました。1999年には実現可能性調査が実施され、国際的なパートナーが模索されました。2000年には、オランダの関心あるすべての大学部門とASTRONの代表者からなるオランダLOFAR運営委員会がASTRON理事会によって設立されました。

    2003年11月、オランダ政府はBsikプログラムに基づき、LOFARのインフラ整備に5,200万ユーロを割り当てました。Bsikのガイドラインに従い、LOFARは地球物理学、コンピュータ科学、農業、そして天文学の研究を促進するための多分野センサーアレイとして資金提供を受けました。

    2003年12月、LOFARの初期試験ステーション（ITS）が運用を開始しました。ITSシステムは60個の逆V字型ダイポールアンテナで構成され、各ダイポールアンテナは低雑音増幅器（LNA）に接続されています。LNAは入力信号を増幅し、110メートル（360フィート）の同軸ケーブルを介して受信ユニット（RCU）まで伝送します。

    2005年4月26日、LOFARのデータ処理のため、フローニンゲン大学数学センターにIBM Blue Gene/Lスーパーコンピュータが設置されました。当時、このスーパーコンピュータはバルセロナのMareNostrumに次いでヨーロッパで2番目に強力なスーパーコンピュータでした。[28] 2014年以降、COBALTと呼ばれるさらに強力なコンピューティングクラスター（相関器）が、すべての個々の観測所からの信号の相関処理を行っています。[29]

    2006 年 8 月/9 月に、最初の LOFAR ステーション (コア ステーション CS001、別名 CS1 52°54′32″N 6°52′8″E / 52.90889°N 6.86889°E / 52.90889; 6.86889 ) が試作ハードウェアを使用して現場に設置されました。合計 96 個のデュアルダイポールアンテナ (完全な LOFAR ステーションに相当) が 4 つのクラスターにグループ化されており、中央のクラスターには 48 個のダイポールがあり、他の 3 つのクラスターにはそれぞれ 16 個のダイポールがあります。各クラスターの大きさは約 100 メートル (330 フィート) です。クラスターは直径約 500 メートルのエリアに分散されています。

    2007年11月、エッフェルスベルク100m電波望遠鏡に隣接する最初の国際LOFAR局（DE601 ）が運用開始となった。LOFARコアの端に位置する最初の完全完成局（ CS302）は2009年5月に完成し、オランダ国内の40局は2013年に完成予定であった。2014年までに、オランダ国内38局、ドイツ国内5局（エッフェルスベルク、タウテンブルク、ウンターヴァイレンバッハ、ボルニム/ポツダム、ユーリッヒ）、英国（チルボルトン）、フランス（ナンチャイ）、スウェーデン（オンサラ）にそれぞれ1局ずつ運用開始した。アイルランドのビルの局は2017年に追加された。 [30]

    LOFARは2010年6月12日にオランダのベアトリクス女王によって正式に開設されました。[31]定期的な観測は2012年12月に開始されました。[要出典]

    参照

    参考文献

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    ウィキメディア・コモンズには、 LOFARに関連するメディアがあります。
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    • LOFAR：低周波電波観測用の新しい電波望遠鏡：科学とプロジェクトの現状。（プレプリント：astro-ph/0307240）
    • 平方キロメートルアレイ（Scholarpediaの記事）[1]
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