O MeerKAT, originalmente chamado de Telescópio Karoo Array, é um radiotelescópio composto por 64 antenas localizado no Parque Nacional Meerkat (2020-presente), na província do Cabo Setentrional, África do Sul. Em 2003, a África do Sul manifestou interesse em sediar o Radiotelescópio Square Kilometre Array (SKA) na África, e o MeerKAT, projetado e construído localmente, foi incorporado à primeira fase do SKA. O MeerKAT foi inaugurado em 2018 e está situado em uma zona de silêncio de rádio dentro do parque.

Juntamente com o Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), também na África do Sul, e dois radiotelescópios na Austrália Ocidental, o Australian SKA Pathfinder (ASKAP) e o Murchison Widefield Array (MWA), o MeerKAT é um dos quatro precursores do SKA final.

O MeerKAT foi originalmente planejado para conter 20 receptores e era conhecido como Telescópio Karoo Array. No entanto, o governo sul-africano aumentou o orçamento para permitir 64 receptores, o que motivou a mudança do nome para MeerKAT, que significa "more of KAT".^[1]

A construção do conjunto de 64 antenas MeerKAT ocorreu de 2014 a 2018 e foi um dos maiores projetos científicos da África do Sul.^[2] O telescópio foi inaugurado oficialmente pelo vice-presidente David Mabuza em 13 de julho de 2018.^[3] Em 2023, a equipe do MeerKAT recebeu o Prêmio de Realização em Grupo de 2023 da Royal Astronomical Society devido a observações inovadoras em um curto período de operação, incluindo bolhas de rádio em grande escala ao redor de Sagittarius A* e o brilho residual de rádio de um evento de fusão de estrelas de nêutrons.^[4]

O MeerKAT é um precursor do telescópio Square Kilometer Array (SKA), assim como o Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), o Australian SKA Pathfinder (ASKAP) e o Murchison Widefield Array (MWA).^[5] O MeerKAT será incorporado ao SKA-Mid, um conjunto de 197 antenas parabólicas.^[6]

Localizada no sítio do SKA, no Carru, a antena serve como precursora das tecnologias e da ciência do SKA-mid. Foi projetada por engenheiros do Observatório de Radioastronomia da África do Sul e por empresas sul-africanas, e a maior parte do hardware e software foi adquirida na África do Sul. Ela é composta por 64 antenas, cada uma com 13,5 m de diâmetro, equipadas com receptores criogênicos. As antenas possuem posições para quatro receptores, e uma das três posições vagas será preenchida por receptores de banda S fornecidos pelo Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR). A configuração do conjunto de antenas possui 61% delas localizadas dentro de um círculo de 1 km de diâmetro, e os 39% restantes estão distribuídos em um raio de 4 km.^[1]

Os sinais recebidos pelo receptor são digitalizados imediatamente na antena, e os fluxos de dados digitais são transportados para o Edifício de Processamento do Karoo Array (KAPB) por meio de fibras ópticas enterradas. Os sinais da antena são processados pelo processador de sinal digital Correlator/Beamformer (CBF). Os dados do CBF são repassados para o cluster de computadores do Processador Científico e para os módulos de armazenamento em disco.^[7]

Os dados da antena MeerKAT também são disponibilizados para diversos sistemas digitais fornecidos pelo usuário por meio do CBF, incluindo mecanismos de busca de pulsares e rajadas rápidas de rádio (FRBs), um sistema de temporização de pulsares de precisão e um processador de sinal SETI.^[7]

Um sistema de referência de tempo e frequência (TFR) fornece os sinais de relógio e de tempo absoluto necessários para os digitalizadores e outros subsistemas do telescópio. Este sistema TFR compreende dois relógios maser de hidrogênio, dois relógios atômicos de rubídio, um oscilador de cristal preciso e um conjunto de sistemas receptores GNSS para transferência de tempo com o UTC.^[8][9]

Os sistemas massivos de computação e processamento de sinais digitais localizados no KAPB estão alojados em uma grande câmara blindada (ou gaiola de Faraday) para evitar que os sinais de rádio dos equipamentos interfiram nos receptores de rádio sensíveis. O próprio KAPB está parcialmente enterrado abaixo do nível do solo para fornecer proteção adicional contra interferência de radiofrequência (RFI) e para garantir estabilidade de temperatura. O KAPB também abriga uma instalação de condicionamento de energia para todo o local, incluindo três unidades UPS rotativas a diesel que fornecem alimentação ininterrupta para todo o local.^[10]

Uma fibra óptica de longa distância transfere dados do KAPB para o Centro de Computação de Alto Desempenho (CHPC) e para o escritório da SARAO na Cidade do Cabo, além de fornecer um link de controle e monitoramento para o centro de operações da SARAO, também na Cidade do Cabo. O processamento e a redução dos dados do telescópio são executados em instalações computacionais fornecidas pelos sistemas MeerKAT SP e em outras instalações de computação de alto desempenho disponibilizadas pelos usuários do MeerKAT.

O MeerKAT, inaugurado em julho de 2018,^[11] consiste em 64 antenas parabólicas de 13,5 metros de diâmetro cada, com configuração gregoriana deslocada.^[12] A configuração de antena deslocada foi escolhida porque sua abertura desobstruída proporciona desempenho óptico e sensibilidade sem compromissos, excelente qualidade de imagem e boa rejeição de interferências de radiofrequência indesejadas de satélites e transmissores terrestres. Também facilita a instalação de múltiplos sistemas de receptores nas áreas focais primária e secundária e é o projeto de referência para o conceito de banda média do SKA.^[13]

O MeerKAT suporta uma ampla gama de modos de observação, incluindo imagens de contínuo profundo, polarização e linhas espectrais , temporização de pulsares e buscas por eventos transientes.^[14] Uma variedade de produtos de dados padrão é fornecida, incluindo um pipeline de geração de imagens, e diversas "conexões de dados" também estão disponíveis para suportar instrumentação fornecida pelo usuário.^[14] Esforços significativos de projeto e qualificação estão planejados para garantir alta confiabilidade, visando baixo custo operacional e alta disponibilidade.^[1]

Os 64 pratos do MeerKAT estão distribuídos em dois componentes:

• Um componente interno denso contendo 70% das antenas. Estas estão distribuídas bidimensionalmente com uma distribuição gaussiana , com uma dispersão média de 300 m, uma linha de base mais curta de 29 m e uma linha de base mais longa de 1 km.^[7][1]
• Um componente externo contendo 30% dos pratos. Estes também estão distribuídos em uma distribuição gaussiana bidimensional com uma dispersão média de 2.500 m e uma linha de base mais longa de 8 km.^[7][1]

Para adquirir experiência na construção de telescópios interferométricos, os membros do Telescópio Karoo Array construíram o Demonstrador Experimental de Fase (PED) no Observatório Astronômico da África do Sul na Cidade do Cabo entre 2005 e 2007.^[15]

Durante 2007, o Telescópio Modelo de Desenvolvimento Experimental (XDM) de 15 metros (49 pés) foi construído no Observatório de Radioastronomia de Hartebeesthoek para servir como plataforma de testes para o MeerKAT.^[16]

A construção do conjunto precursor MeerKAT (MPA – também conhecido como KAT-7), no local, começou em agosto de 2009.^[17] Em abril de 2010, quatro das sete primeiras antenas foram conectadas como um sistema integrado para produzir sua primeira imagem interferométrica de um objeto astronômico. Em dezembro de 2010, houve uma detecção bem-sucedida de franjas de interferometria de linha de base muito longa (VLBI) entre a antena de 26 m do Observatório de Radioastronomia de Hartebeesthoek e uma das antenas do KAT-7.^[18]

Apesar dos planos originais de concluir o MeerKAT até 2012, a construção foi suspensa no final de 2010 devido à reestruturação orçamentária. A Ministra da Ciência, Naledi Pandor, negou que a suspensão representasse qualquer revés para o projeto SKA ou "considerações externas". A Construção do MeerKAT não recebeu nenhum investimento entre 2010 e 2012.^[19] a projeção do governo Sul-Africano projetou que apenas 15 antenas seriam totalmente construidas até 2015.^[20]

A última das fundações de concreto armado para as antenas MeerKAT foi concluída em 11 de fevereiro de 2014. Quase 5000 m³ de concreto e mais de 570 toneladas de aço foram usados ​​para construir as 64 bases ao longo de um período de 9 meses.^[21]

O projeto MeerKAT estava planejado para ser concluído em três fases. A primeira fase incluiria todas as antenas, mas apenas o primeiro receptor seria instalado. Com uma largura de banda de processamento de 750 MHz disponível. Para a segunda e terceira fases, os dois receptores restantes seriam instalados e a largura de banda de processamento seria aumentada para pelo menos 2 GHz, com o objetivo de atingir 4 GHz. Com a construção de todas as sessenta e quatro antenas do MeerKAT concluída, os testes de verificação foram concluídos para garantir o funcionamento correto dos instrumentos.^[22] Em seguida, o MeerKAT foi comissionado no segundo semestre de 2018, entrando em operação para fins científicos.

Em 13 de julho de 2018, o vice-presidente da África do Sul, David Mabuza, inaugurou o Telescópio MeerKAT e revelou uma imagem produzida pelo MeerKAT que mostrou detalhes sem precedentes da região ao redor do buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia, a Via Láctea.^[23][24]

As 64 antenas MeerKAT serão incorporadas à Fase 1 do Conjunto de Antenas de Média Frequência do SKA, assim que as 133 antenas parabólicas do SKA forem construídas e comissionadas no sítio do Karoo, resultando em um total de 197 antenas para o conjunto do SKA.^[25][1] Toda a infraestrutura atualmente associada ao MeerKAT será transferida para o conjunto do SKA. O KAPB tem capacidade para abrigar os equipamentos adicionais necessários para o SKA Mid.^[1]

Os objetivos científicos dos levantamentos do MeerKAT estão alinhados com os principais objetivos científicos da primeira fase do SKA, confirmando a designação do MeerKAT como um instrumento precursor do SKA.^[26][27] Cinco anos (~43.000 h) de tempo de observação no MeerKAT foram alocados a astrônomos renomados que solicitaram tempo para realizar pesquisas.^[28][29]

O Departamento de Ciência e Tecnologia da África do Sul, por meio da NRF e da SARAO, investiu mais de 760 milhões de Randes Sul-africanos em infraestrutura no sítio sul-africano do SKA. O design e a engenharia inovadores da infraestrutura estabelecida para o MeerKAT, bem como o ambiente livre de interferências de radiofrequência, as características físicas favoráveis ​​do local e a experiência técnica local, posicionaram o sítio no Carru como um local ideal para outros experimentos de radioastronomia.^[30]

O radiotelescópio HERA (Hydrogen Epoch of Reionisation Array) é um desses instrumentos, localizado no sítio do SKA na África do Sul. O HERA foi projetado para detectar, pela primeira vez, sinais de rádio das primeiras estrelas e galáxias que se formaram no início da vida do universo. Engenheiros e cientistas sul-africanos estão trabalhando com seus colegas da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos EUA, e da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, para construir o HERA e explorar suas capacidades científicas únicas e fundamentais.^[31]

Outros experimentos construídos no sítio do SA SKA incluem o PAPER (Precision Array for Probing the Epoch of Reionization) e o C-BASS (C-Band All Sky Survey).

Para garantir a viabilidade a longo prazo do sítio do Carru para o MeerKAT e o SKA, bem como para outros instrumentos de radioastronomia, o Parlamento sul-africano aprovou a Lei da Vantagem Geográfica da Astronomia em 2007. A lei confere ao Ministro da Ciência e Tecnologia a autoridade para proteger, por meio de regulamentações, áreas que sejam de importância estratégica nacional para a astronomia e atividades científicas relacionadas.^[30]

• Em setembro de 2019, uma equipe internacional de astrônomos usando o MeerKAT descobriu enormes estruturas semelhantes a balões que se elevam a centenas de anos-luz acima e abaixo do centro de nossa galáxia.^[32]

A experiência adquirida pelos engenheiros sul-africanos no projeto e construção do MeerKAT foi aproveitada no projeto do SKA, reduzindo riscos e custos de desenvolvimento. Engenheiros sul-africanos da SARAO e parceiros industriais sul-africanos participaram de 7 dos 11 consórcios de projeto de engenharia do SKA, contribuindo com cerca de 10% da força de trabalho nesses consórcios distribuídos internacionalmente. O Consórcio de Infraestrutura da África do Sul e o Consórcio de Montagem, Integração e Verificação (AIV) foram liderados pela SARAO, e houve participação sul-africana no Consórcio DISH, no Consórcio de Processamento de Dados Científicos (SDP), no Consórcio de Transporte de Sinal e Dados (SaDT), no Consórcio de Gerenciamento do Telescópio (TM) e no Consórcio de Matriz de Abertura de Média Frequência. Engenheiros sul-africanos supervisionaram os aspectos de engenharia de sistemas de 5 dos consórcios.^[33] A SARAO assinou um Memorando de Entendimento com a SKAO para fornecer recursos às Atividades de Transição que darão continuidade ao desenvolvimento dos subsistemas do SKA, agora que os consórcios concluíram seus trabalhos.^[34] A participação de parceiros industriais sul-africanos em trabalhos anteriores do consórcio e em futuras atividades de integração é facilitada pela SARAO por meio da iniciativa de financiamento do Programa de Assistência Financeira (FAP).^[35][36]

Cientistas da SARAO e de universidades sul-africanas estão bem representados nos diversos Grupos de Trabalho Científicos (GTCs) do SKA, com cerca de 10% dos autores dos artigos no Livro de Ciência do SKA tendo vínculos com instituições sul-africanas. Os Grandes Projetos Científicos (GPCs) do MeerKAT estão intimamente alinhados com a proposta científica do SKA, e há uma grande sobreposição de membros entre as equipes dos GPCs e os GTCs associados.

Para desenvolver as competências necessárias para projetar, construir e operar os telescópios SKA e MeerKAT, e para otimizar o uso desses radiotelescópios para pesquisa após sua entrada em operação, a SARAO iniciou um programa de capacitação em 2005. O programa está totalmente integrado às operações da SARAO e foi concebido para desenvolver e reter os pesquisadores, engenheiros e técnicos necessários para garantir o sucesso do MeerKAT e do SKA na África do Sul. Até o momento, o programa concedeu mais de 1.000 bolsas de estudo e de pesquisa em todos os níveis acadêmicos relevantes e para uma variedade de qualificações pertinentes. O programa é muito valorizado por colegas acadêmicos do exterior devido ao seu sucesso em desenvolver, a partir de uma base modesta, uma expertise significativa em radioastronomia ao longo dos últimos 14 anos.^[37][36]

A Rede Africana de Interferometria de Linha de Base Muito Longa (VLBI, na sigla em inglês) é um importante passo para a construção do SKA no continente africano. O programa AVN transferirá habilidades e conhecimento para os países parceiros africanos do SKA (Botsuana, Gana, Quênia, Madagascar, Maurício, Moçambique, Angola, Namíbia e Zâmbia) para construir, manter, operar e utilizar radiotelescópios.^[38][39]

O MeerKAT também participará de operações globais de VLBI com todos os principais observatórios de radioastronomia do mundo e aumentará consideravelmente a sensibilidade da rede global de VLBI.^[1][40] Outros objetivos científicos potenciais para o MeerKAT incluem participar da busca por inteligência extraterrestre e colaborar com a NASA no download de informações de sondas espaciais.^[41][42]

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