SuerKAT

MeerKAT , originalmente conocido como Karoo Array Telescope , es un radiotelescopio compuesto por 64 antenas ubicado en el Parque Nacional Meerkat , en la provincia del Cabo Septentrional de Sudáfrica. En 2003, Sudáfrica presentó una manifestación de interés para albergar el radiotelescopio Square Kilometre Array (SKA) en África, y MeerKAT, diseñado y construido localmente, se incorporó a la primera fase del SKA. MeerKAT se puso en marcha en 2018 y se encuentra dentro de una zona de silencio radioeléctrico dentro del parque.

Junto con el Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), también en Sudáfrica, y dos radiotelescopios en Australia Occidental , el Australian SKA Pathfinder (ASKAP) y el Murchison Widefield Array (MWA), el MeerKAT es uno de los cuatro precursores del SKA final.

MeerKAT fue diseñado originalmente para contener 20 receptores y era conocido como el Telescopio de Matriz Karoo. Sin embargo, el gobierno sudafricano aumentó el presupuesto para permitir 64 receptores, lo que motivó el cambio de nombre a MeerKAT, que significa "más de KAT". ^{[ 1 ]}

La construcción del conjunto de 64 antenas MeerKAT tuvo lugar entre 2014 y 2018 y fue uno de los proyectos científicos más grandes de Sudáfrica. ^{[ 2 ]} El telescopio fue inaugurado oficialmente por el vicepresidente David Mabuza el 13 de julio de 2018. ^{[ 3 ]} En 2023, el equipo de MeerKAT recibió el Premio al Logro Grupal 2023 de la Real Sociedad Astronómica debido a observaciones innovadoras en un corto período de operación, incluyendo grandes burbujas de radio alrededor de Sagitario A y el resplandor de radio posterior a un evento de fusión de estrellas de neutrones. ^{[ 4 ]}

El MeerKAT es un precursor del telescopio Square Kilometer Array (SKA), al igual que el Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), el Australian SKA Pathfinder (ASKAP) y el Murchison Widefield Array (MWA). ^{[ 5 ]} El MeerKAT se incorporará a SKA-Mid, un conjunto de 197 antenas. ^{[ 6 ]}

Está ubicado en el sitio SKA en Karoo y es un proyecto pionero para las tecnologías y la ciencia de SKA-mid. Fue diseñado por ingenieros del Observatorio Sudafricano de Radioastronomía e industrias sudafricanas, y la mayor parte del hardware y el software se obtuvieron en Sudáfrica. Consta de 64 antenas, cada una de 13,5 m de diámetro, equipadas con receptores criogénicos. Las antenas tienen espacio para cuatro receptores, y uno de los tres espacios vacantes será ocupado por receptores de banda S proporcionados por el Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR). La configuración del conjunto tiene el 61 % de las antenas ubicadas dentro de un  círculo de 1 km de diámetro, y el 39 % restante distribuido en un radio de 4  km.

Las señales de salida del receptor se digitalizan inmediatamente en la antena, y los flujos de datos digitales se transportan al Edificio de Procesamiento de la Matriz Karoo (KAPB) mediante fibras ópticas enterradas. Las señales de la antena son procesadas por el procesador de señales digitales Correlator/Beamformer (CBF). Los datos del CBF se transmiten al clúster de computadoras del Procesador Científico y a los módulos de almacenamiento en disco. Los datos de la antena MeerKAT también están disponibles para varios sistemas de almacenamiento digital proporcionados por el usuario a través del CBF, incluidos motores de búsqueda de púlsares y ráfagas de radio rápidas (FRB), un sistema de sincronización de púlsares de precisión y un procesador de señales SETI . Un sistema de referencia de tiempo y frecuencia (TFR) proporciona las señales de reloj y de tiempo absoluto necesarias para los digitalizadores y otros subsistemas del telescopio. Este sistema TFR consta de dos relojes máser de hidrógeno, dos relojes atómicos de rubidio, un oscilador de cristal de precisión y un conjunto de sistemas receptores GNSS para la transferencia de tiempo con UTC.

Los sistemas de computación masiva y procesamiento digital de señales ubicados en el KAPB se encuentran dentro de una gran cámara blindada (o jaula de Faraday ) para evitar que las señales de radio de los equipos interfieran con los receptores de radio sensibles. El propio KAPB está parcialmente enterrado para proporcionar protección adicional contra interferencias de radiofrecuencia (RFI) y para garantizar la estabilidad de la temperatura. El KAPB también alberga una instalación de acondicionamiento de energía para todo el sitio, que incluye tres unidades UPS rotativas diésel que proporcionan un suministro eléctrico ininterrumpido a todo el recinto. ^{[ 7 ]}

Una fibra óptica de larga distancia transfiere datos desde el KAPB al Centro de Computación de Alto Rendimiento (CHPC) y a la oficina de SARAO en Ciudad del Cabo, y proporciona un enlace de control y monitorización con el centro de operaciones de SARAO en Ciudad del Cabo. El procesamiento y la reducción de los datos del telescopio se realizan en las instalaciones informáticas proporcionadas por los sistemas MeerKAT SP y en otras instalaciones informáticas de alto rendimiento proporcionadas por los usuarios de MeerKAT.

MeerKAT, inaugurado en julio de 2018 ^{[ 8 ],} consta de 64 antenas parabólicas de 13,5 metros de diámetro cada una, con una configuración gregoriana descentrada . ^{[ 9 ]} Se eligió esta configuración porque su apertura sin obstrucciones proporciona un rendimiento óptico y una sensibilidad óptimos, una excelente calidad de imagen y un buen rechazo de las interferencias de radiofrecuencia no deseadas provenientes de satélites y transmisores terrestres. Además, facilita la instalación de múltiples sistemas receptores en las áreas focales primaria y secundaria, y constituye el diseño de referencia para el concepto SKA de banda media. ^{[ 10 ]}

MeerKAT admite una amplia gama de modos de observación, incluyendo continuo profundo, imágenes de polarización y líneas espectrales , cronometraje de púlsares y búsqueda de transitorios. Se proporcionan diversos productos de datos estándar, incluyendo un sistema de procesamiento de imágenes. También se dispone de varias conexiones de datos para admitir instrumentación proporcionada por el usuario. Se han planificado importantes esfuerzos de diseño y cualificación para garantizar una alta fiabilidad, lograr bajos costes operativos y una alta disponibilidad.

Los 64 platos de MeerKAT se distribuyen en dos componentes:

• Un componente interno denso que contiene el 70% de las antenas. Estas se distribuyen bidimensionalmente con una distribución gaussiana, con una dispersión media de 300 m, una línea de base mínima de 29 m y una línea de base máxima de 1  km.
• Un componente exterior que contiene el 30% de las antenas. Estas también están distribuidas en una distribución gaussiana bidimensional con una dispersión media de 2500 m y una línea base máxima de 8  km.

Para adquirir experiencia en la construcción de telescopios interferométricos, los miembros del Karoo Array Telescope construyeron el Phased Experimental Demonstrator (PED) en el Observatorio Astronómico Sudafricano en Ciudad del Cabo entre 2005 y 2007. ^{[ 11 ]}

Durante 2007, el Telescopio Modelo de Desarrollo Experimental (XDM) de 15 metros (49 pies) se construyó en el Observatorio de Radioastronomía de Hartebeesthoek para servir como banco de pruebas para MeerKAT. ^{[ 12 ]} 

La construcción del conjunto precursor MeerKAT (MPA, también conocido como KAT-7) en el sitio comenzó en agosto de 2009. ^{[ 13 ]} En abril de 2010, cuatro de las siete primeras antenas se conectaron como un sistema integrado para producir su primera imagen interferométrica de un objeto astronómico. En diciembre de 2010, se detectó con éxito franjas de interferometría de línea de base muy larga (VLBI) entre la antena de 26 m del Observatorio de Radioastronomía de Hartebeesthoek y una de las antenas KAT-7. ^{[ 14 ]}

A pesar de los planes originales para completar MeerKAT para 2012, ^{[ 15 ]} la construcción se suspendió a finales de 2010 debido a una reestructuración presupuestaria. La ministra de Ciencia, Naledi Pandor, negó que la suspensión representara algún revés para el proyecto SKA o "consideraciones externas". ^{[ 16 ]} La construcción de MeerKAT no recibió financiación en 2010/11 y 2011/12. ^{[ 17 ]} El Presupuesto Nacional de Sudáfrica de 2012 proyectó que solo 15 antenas de MeerKAT se completarían para 2015. ^{[ 18 ]}

La última de las cimentaciones de hormigón armado para las antenas MeerKAT se completó el 11 de febrero de 2014. Se utilizaron casi 5000 m³ de hormigón y más de 570 toneladas de acero para construir las 64 bases durante un período de 9 meses ^{. [ 19 ]}

MeerKAT se completará en tres fases. La primera fase incluirá todas las antenas, pero solo se instalará el primer receptor.  Se dispone de un ancho de banda de procesamiento de 750 MHz. Para la segunda y tercera fases, se instalarán los dos receptores restantes y el ancho de banda de procesamiento se incrementará a al menos 2  GHz, con el objetivo de alcanzar los 4  GHz. Una vez finalizada la construcción de las sesenta y cuatro antenas de MeerKAT, han comenzado las pruebas de verificación para asegurar el correcto funcionamiento de los instrumentos. ^{[ 20 ]} Posteriormente, MeerKAT se pondrá en marcha en la segunda mitad de 2018, momento en el que el conjunto de antenas estará operativo para las investigaciones científicas.

El 13 de julio de 2018, el vicepresidente de Sudáfrica, David Mabuza , inauguró el telescopio MeerKAT y presentó una imagen producida por MeerKAT que revelaba detalles sin precedentes de la región que rodea al agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Las 64 antenas MeerKAT se incorporarán a la Fase 1 del conjunto de antenas de frecuencia media SKA una vez que se hayan construido y puesto en marcha las 133 antenas parabólicas SKA en el emplazamiento de Karoo, lo que dará como resultado un total de 197 antenas para el conjunto SKA. Toda la infraestructura actualmente asociada a MeerKAT se transferirá al conjunto SKA. El KAPB tiene capacidad para albergar el equipo adicional que requiere SKA Mid.

Los objetivos científicos de los estudios de MeerKAT coinciden con los principales objetivos científicos de la primera fase del SKA , lo que confirma la designación de MeerKAT como instrumento precursor del SKA. Se han asignado cinco años de tiempo de observación en MeerKAT a astrónomos destacados que han solicitado tiempo para realizar investigaciones.

El Departamento de Ciencia y Tecnología de Sudáfrica, a través de la NRF y la SARAO, ha invertido más de 760 millones de rands en infraestructura en el emplazamiento sudafricano del SKA. El diseño y la ingeniería innovadores de la infraestructura construida para MeerKAT, junto con el entorno libre de interferencias de radiofrecuencia, las características físicas favorables del emplazamiento y la experiencia técnica in situ, han convertido a este emplazamiento en el Karoo en un lugar ideal para otros experimentos de radioastronomía.

El radiotelescopio HERA (Hydrogen Epoch of Reionisation Array) es uno de estos instrumentos ubicado en el sitio SKA de Sudáfrica. HERA está diseñado para detectar, por primera vez, señales de radio de las primeras estrellas y galaxias que se formaron en los albores del universo. Ingenieros y científicos sudafricanos colaboran con sus colegas de la Universidad de California en Berkeley (EE. UU.) y la Universidad de Cambridge (Reino Unido) para construir HERA y aprovechar sus capacidades científicas fundamentales y únicas.

Otros experimentos que se han construido en el sitio SA SKA incluyen PAPER ( Precision Array for Probing the Epoch of Reionization ) y C-BASS (C-Band All Sky Survey).

Para garantizar la viabilidad a largo plazo del emplazamiento de Karoo para el MeerKAT y el SKA, así como para otros instrumentos de radioastronomía, el Parlamento sudafricano aprobó en 2007 la Ley de Ventaja Geográfica para la Astronomía. Esta ley otorga al Ministro de Ciencia y Tecnología la autoridad para proteger, mediante reglamentos, las zonas que revisten importancia estratégica nacional para la astronomía y las actividades científicas conexas.

En septiembre de 2019, un equipo internacional de astrónomos que utilizaba el radiotelescopio MeerKAT de Sudáfrica descubrió enormes estructuras con forma de globo que se elevan cientos de años luz por encima y por debajo del centro de nuestra galaxia. ^{[ 21 ]}

La experiencia adquirida por los ingenieros sudafricanos en el diseño y la construcción de MeerKAT se transfirió al diseño de SKA, reduciendo riesgos y costos de desarrollo. Ingenieros sudafricanos de SARAO y socios industriales sudafricanos participaron en 7 de los 11 consorcios de diseño de ingeniería de SKA, aportando aproximadamente el 10 % de la fuerza laboral en estos consorcios distribuidos internacionalmente. El Consorcio de Infraestructura de Sudáfrica y el Consorcio de Ensamblaje, Integración y Verificación (AIV) fueron liderados por SARAO, y hubo participación sudafricana en el Consorcio DISH, el Consorcio del Procesador de Datos Científicos (SDP), el Consorcio de Transporte de Señal y Datos (SaDT), el Consorcio del Gestor de Telescopios (TM) y el Consorcio de la Matriz de Apertura de Frecuencia Media. Ingenieros sudafricanos supervisaron los aspectos de ingeniería de sistemas de 5 de los consorcios. SARAO firmó un Memorando de Entendimiento con SKAO para proporcionar recursos a las Actividades de Conexión que continuarán el desarrollo de los subsistemas de SKA ahora que los consorcios han concluido su trabajo. La participación de socios industriales sudafricanos en trabajos previos del consorcio y en futuras actividades de enlace se ve facilitada por SARAO a través de la iniciativa de financiación del Programa de Asistencia Financiera (FAP).

Los científicos de SARAO y de universidades sudafricanas están bien representados en los distintos Grupos de Trabajo Científico (GTC) del SKA, y alrededor del 10 % de los autores de los artículos del Libro Científico del SKA pertenecen a instituciones sudafricanas. Los Grandes Proyectos Científicos (GPC) de MeerKAT están estrechamente alineados con el caso científico del SKA, y existe una gran coincidencia de miembros entre los equipos de los GTC y los GTC asociados.

Para desarrollar las habilidades necesarias para diseñar, construir y operar los telescopios SKA y MeerKAT, y para aprovechar al máximo su potencial para la investigación una vez puestos en funcionamiento, SARAO inició en 2005 un programa de desarrollo de capacidades. Este programa está plenamente integrado en las operaciones de SARAO y está diseñado para formar y retener a los investigadores, ingenieros y técnicos necesarios para garantizar el éxito de MeerKAT y SKA en Sudáfrica. Hasta la fecha, el programa ha otorgado más de 1000 becas y ayudas económicas en todos los niveles académicos pertinentes y para diversas titulaciones. El programa es muy valorado por la comunidad académica internacional debido a su éxito en el desarrollo, partiendo de una base baja, de una importante experiencia en radioastronomía durante los últimos 14 años.

La Red Africana de Interferometría de Línea de Base Muy Larga (VLBI, por sus siglas en inglés) (AVN) representa un avance importante para la construcción del SKA en el continente africano. El programa AVN transferirá habilidades y conocimientos a los países africanos socios del SKA (Botsuana, Ghana, Kenia, Madagascar, Mauricio, Mozambique, Namibia y Zambia) para la construcción, el mantenimiento, la operación y el uso de radiotelescopios.

MeerKAT también participará en operaciones globales de VLBI con los principales observatorios de radioastronomía del mundo y aumentará considerablemente la sensibilidad de la red global de VLBI. Otros objetivos científicos potenciales para MeerKAT son participar en la búsqueda de inteligencia extraterrestre y colaborar con la NASA en la descarga de información de sondas espaciales.

• Explorador del proyecto Australian Square Kilometre Array
• Observatorio de Radioastronomía Hartebeesthoek
• Karoo
• Lista de radiotelescopios
• Matriz de precisión para sondear la época de la reionización.
• Observatorio Astronómico Sudafricano para la astronomía óptica en Sudáfrica
• Matriz de kilómetros cuadrados

• SKA Sudáfrica
• Modelo de Desarrollo Experimental (XDM) en Hartebeeshoek
• YouTube: Square Kilometre Array