Мурчисонская решётка широкого поля зрения

MWA представляет собой радиотелескоп с синтезированной апертурой (радиоинтерферометр), предназначенный для работы в диапазоне частот 70—300 МГц^[1][3]. Согласно изначальному плану, он должен состоять из 8192 активных двухполяризационных широкополосных дипольных радиоантенн, объединённых в 512 модулей по 16 антенн в каждом (4 ряда по 4 антенны)^[4][6][5]. По состоянию на 2025 год развёрнуто только 256 модулей, включающих в общей сложности 4096 антенн^[1], т. е. половина от изначального плана. Каждая антенна имеет ширину 74 см и высоту 55 см^[3]. Внутри модуля антенны расположены на расстоянии 1,1 м друг от друга^[3].

Под каждым модулем находится наземный экран в виде проволочной сетки размером 5 × 5 м. Его назначение — подавление диаграммы направленности каждого модуля на высотах ниже 30° с целью отсечения радиопомех наземного происхождения. Также некоторые модули снабжены солнечными батареями^[3].

Поскольку антенны установлены неподвижно, для наведения модуля на конкретную точку (или небольшую область) небесной сферы служит специальное устройство, называемое формирователем луча. Принцип его работы основан на том, что сигнал, идущий из определённого направления на небе, будет приходить к разным антеннам с разной задержкой во времени (исчисляемой наносекундами). Формирователь луча добавляет к каждому сигналу, получаемому каждой из 16 антенн модуля, индивидуальную, заранее рассчитанную временну́ю задержку, подобранную таким образом, чтобы сигналы от разных антенн поступали в приёмник одновременно. Это обеспечивает преимущественное суммирование сигналов, пришедших из заданного направления, и снижение чувствительности модуля к сигналам из других направлений. Каждый приёмник получает аналоговые потоки данных от 8 модулей по коаксиальному кабелю, фильтрует и оцифровывает их и передаёт по оптоволоконному кабелю в коррелятор^[3].

Большая часть модулей квазислучайным образом распределена по участку территории диаметром несколько километров. Сигналы от всех пар модулей (баз) коррелируются (умножаются и усредняются) с помощью специализированного аппаратного обеспечения на основе программируемых логических интегральных схем^[4][6].

Индивидуальные антенны небольшого размера обладают более широким полем зрения, чем крупные. Поэтому использование большого количества малых антенн, распределённых подобным образом, позволяет увеличить как ширину поля зрения радиотелескопа, так и количество дискретизованных пространственных частот фурье-образа сигнала, путём обработки которого восстанавливается распределение яркости радиоизлучения по наблюдаемому участку небесной сферы. Последнее обстоятельство позволяет повысить детализацию и чёткость получаемых радиоизображений^[4].

Очень широкое поле зрения, высокое угловое разрешение, наносекундное временно́е разрешение и цифровая управляемость радиотелескопа MWA делают его крайне полезным инструментом для быстрого картирования неба и изучения редких и слабых событий в режиме реального времени^[1]. Полученные данные поступают в Суперкомпьютерный центр Поузи (англ. Pawsey Supercomputing Centre) в Перте, где хранятся в долгосрочном архиве. Эти данные доступны для анализа сотням исследователей со всего мира с помощью единой платформы «Виртуальная обсерватория всего неба» (англ. All-Sky Virtual Observatory)^[1].

Антенная решётка MWA расположена в Мурчисонской радиоастрономической обсерватории, которая находится в округе Мерчисон штата Западная Австралия, в нескольких сотнях километров к северу от Перта^[9] и управляется Государственным объединением научных и прикладных исследований (CSIRO). Её точные географические координаты: 26°42′12″ ю. ш. 116°40′15″ в. д.^GЯO[10].

Этот регион обладает рядом преимуществ для расположения подобного инструмента, среди которых:

• доступ к интересной для изучения области неба, которая содержит центр нашей Галактики и Магеллановы Облака, поднимающиеся высоко над горизонтом;
• малая плотность населения и связанный с этим чрезвычайно низкий уровень радиошума, с хорошими перспективами поддержания этого уровня в долгосрочной перспективе путём целенаправленного создания радиотихой зоны;
• возможность создания специализированной инфраструктуры для радиоастрономических решёток с низкими эксплуатационными расходами;
• гибкие возможности размещения модулей решётки, позволяющие оптимизировать её общую конфигурацию (вследствие незначительной плотности населения и отсутствия физических препятствий, таких как горы или водоёмы)^[9].

Помимо MWA, на территории Мурчисонской радиоастрономической обсерватории расположен радиоинтерферометр ASKAP^[9]. MWA и ASKAP (наряду с HERA и MeerKAT в ЮАР) являются предшественниками международной антенной решётки Square Kilometer Array, служащими для испытания и отработки соответствующих технологий и методик наблюдения^[7][8]. MWA и ASKAP дополняют друг друга, поскольку работают в разных частотных диапазонах (MWA: 80—300 МГц; ASKAP: 0,7—1,8 ГГц) и используют разные антенные технологии^[5].

Строительство антенной решётки MWA происходило поэтапно. На первом этапе был построен прототип из 32 модулей (MWA-32T), который эксплуатировался с 2007 по 2011 год^[2]. В это время проводились испытания оборудования радиотелескопа и предварительные научные наблюдения, включая первые наблюдения сигналов от эпохи реионизации^[11].

В 2013 году была полноценно начата первая фаза работы решётки, состоявшей на тот момент из 2048 антенн, сгруппированных в 128 модулей^[1]. Участок территории, занимаемой антеннами, имел диаметр около 3 км^[2][5]. В 2016—2017 годах была проведена плановая модернизация радиотелескопа, в результате которой количество антенн и их модулей было удвоено (до 256 модулей и 4096 антенн), что привело к увеличению разрешения и чувствительности инструмента^[12]. При этом общий размер решётки увеличился с 3 до 5 км. В 2018 году начал работу онлайн-архив данных, полученных MWA, на единой платформе «Виртуальная обсерватория всего неба» (англ. All-Sky Virtual Observatory), которая обеспечивает исследователям со всего мира доступ к разнородным наборам астрономических данных, поступающих от различных типов наблюдательных инструментов^[2].

В 2021 году был установлен новый коррелятор радиоинтерферометра, получивший название MWAX. В 2022 году были модернизированы тракт сигнала и подсистемы конечной обработки данных. Также был создан новый долгосрочный архив в Суперкомпьютерном центре Поузи и проложены новые кабели для всех 4096 антенн^[2].

Радиотелескоп MWA способен выполнять широкий спектр научных исследований, но изначально создавался для трёх основных научных задач:

• регистрация и исследование трёхмерных флуктуаций яркостной температуры радиоизлучения нейтрального (атомарного) водорода в спектральной линии на длине волны 21 см в эпоху реионизации (при космологических красных смещениях z = 6—10);
• высокочувствительный мониторинг небесной сферы с целью обнаружения слабых транзиентных источников космического радиоизлучения (включая коричневые карлики, пульсары, рентгеновские двойные системы и изолированные нейтронные звёзды);
• исследование Солнца (в частности, обнаружение и изучение солнечных радиовспышек) и дистанционное зондирование внутренней гелиосферы методом «просвечивания» (с помощью наблюдения распространяющихся через неё сигналов от более далёких источников)^[4][5];
• изучение ионосферы Земли^[5].

Одной из проблем подобной технологии является слишком большой объём данных, который требуется передавать и обрабатывать в единицу времени (по некоторым оценкам, до 32 Пбит/с). Главной научной целью MWA является отработка новой технологии радиоастрономических наблюдений, которая позволяет максимизировать количество собираемой научной информации при ограничении передаваемого и обрабатываемого объёма информации в единицу времени. Таким образом, MWA запланирован как демонстрационный инструмент, служащий испытательным прототипом для оценки жизнеспособности и эффективности концепции решёток, состоящих из большого числа малых антенн, для использования в будущих, ещё более масштабных радиоинтерферометрах, таких как Square Kilometre Array^[4].

На первом этапе работы с помощью MWA было выполнено множество научных работ, охватывающих такие темы, как наблюдение областей H II в плоскости Галактики, радиоизлучения экзопланет, отслеживание космического мусора и др. На основании результатов наблюдений, проведённых в первые 5 лет работы телескопа, было опубликовано более 100 рецензируемых научных статей, получивших более 3000 цитирований^[12]. С помощью решётки выполнен радиообзор 300 тысяч галактик GaLactic and Extragalactic All-sky MWA (GLEAM) на 20 частотах в интервале 70—230 МГц^[13].