Solfysik med Square Kilometer Array

Selvom solfysik er en af ​​de mest modne grene af astrofysikken, solen konfronterer forskere med en lang række udestående fundamentale problemer. Disse problemer omfatter bestemmelsen af ​​solatmosfærens struktur og dynamik, magnetfeltudviklingen i kromosfæren og koronaen, koronal opvarmning, fysikken bag impulsiv energifrigivelse, energisk partikelacceleration og transport, fysikken i koronale masseudstødninger (CME'er) og stød, samt rumvejrdrivernes soloprindelse.

Square Kilometer Array (SKA) bliver det største radioteleskop, der nogensinde er bygget, sigter mod at tilvejebringe et indsamlingsområde større end 1 km ² . Instrumentet vil blive bygget i to faser, kendt som SKA1 og SKA2. SKA1 vil svare til omkring 10 procent af det endelige opsamlingsareal, og dets udrulning vil starte i 2020, mens idriftsættelsesaktiviteter forventes at starte i 2024. SKA2 vil svare til det fulde endelige system, og dets konstruktion vil starte, afhængig af SKA1's præstationer, efter 2030.

SKA1 vil bestå af to arrays, SKA1-LOW og SKA1-MID, som vil blive bygget i Australien og Sydafrika, henholdsvis. Den forventede konfiguration af de to arrays er vist i fig. 1. De maksimale basislinjer for arrays vil være omkring 65 km for SKA1-LOW og omkring 150 km for SKA1-MID.

SKA1-LOW vil observere fra ~50 til 350 MHz og vil omfatte omkring 131, 000 simple antenner, der er arrangeret i stationer med en diameter på 100 m, der hver er vært for 90 dobbeltpolarisationsantenner. I hver station vil signalet fra alle antenner blive tilføjet i fase, tillader dannelsen af ​​et "blændearray" (se fig. 2, venstre). Adskillelsen mellem stationerne vil øges fra den centrale del af arrayet mod dens ydre kant, når flere kilometer dertil. SKA1-MID vil observere i området fra 350 MHz til 15,3 GHz, som vil blive opdelt i tre frekvensbånd. Arrayet vil omfatte 133 tallerkener med en diameter på 15 m (se fig. 2, højre) og vil også inkorporere de 64 13,5 m-diameter fade i MeerKAT-arrayet.

SKA vil udføre to slags observationer, interferometrisk billeddannelse og stråleformning. Alle interferometriske billeddiagnostiske observationer vil være spektroskopiske. For en given subarray, der fungerer i ''interferometrisk tilstand, "hvert par af stationer vil blive krydskorreleret for at give fuld-polarisationssynligheder på tværs af den anmodede båndbredde og antallet af kanaler. I "beamforming mode" kan hver subarray danne flere bundne array-stråler og behandle data for hver stråle uafhængigt.

Solobservationer med SKA

Forskere, der er interesseret i at bruge SKA til deres forskning, har dannet "Science Working Groups" (SWG'er). En af dem er Solar, Heliosfærisk og ionosfærisk (SHI) SWG. Det har mere end 60 medlemmer fra fire kontinenter og 20 lande, og det ledes i øjeblikket af E.P. Kontar (Glasgow) og D. Oberoi (Pune). De videnskabelige interesser for SHI SWG inkluderer den stille sol, ikke-udbrændende aktive områder, soludbrud, CME'er, solvinden, sol-jord systemet, og ionosfæren. SHI-gruppen har fastslået, at både SKA1-LOW og SKA1-MID vil være i stand til at observere solen både i interferometrisk billeddannelse og stråleformende tilstande.

Solfysik vil drage uhyre gavn af udrulningen af ​​SKA1, fordi dens hidtil usete vinklede, spektral, og tidsmæssig opløsning, såvel som følsomhed vil give stor ny indsigt i mange vigtige solfysiske problemer. Detaljer om åbne spørgsmål om solar radio astonomi og hvordan de relevante SKA observationer kan bringe resultater af transformativ karakter er diskuteret i Nindos et al. (2019). En kort opsummering er som følger.

Observationer af den ikke-opblussende korona vil give forskere mulighed for at undersøge dens struktur og udvikling med hidtil usete detaljer. Påvisningen af ​​talrige svage forbigående hændelser kunne lette udledningen af ​​pålidelige estimater om deres bidrag til koronal opvarmning inden for rammerne af nanoflare-modellen.

Et meget vigtigt resultat af SKA1-observationer vil være de direkte og indirekte målinger af magnetfeltet i højder, der er utilgængelige for andre instrumenter. Målingerne kan bruges både til beregninger af frie magnetiske energibudgetter såvel som til diagnosticering af magnetfeltet i aktive områder, fladrende løkker, og CME'er.

SKA1-observationer vil give et omfattende overblik over sammenhængende og usammenhængende emissioner, der er tæt forbundet med elektronacceleration, af gyrosynkrotronemission fra udfældende og fangede elektroner i fladrende sløjfer, såvel som af CME'er, stød, og relaterede fænomener. Disse observationer har potentiale til at give store fremskridt i retning af at adressere centrale solfysiske spørgsmål om:(1) placeringen og den magnetiske konfiguration af elektronaccelerationsstedet; (2) den eller de mekanismer, der er ansvarlige for partikelacceleration; (3) flare-CME-forholdet; (4) timingen og udviklingen af ​​CME'er fra de tidlige udviklingsstadier og hele vejen til den ydre corona; (5) driverne til koronale stød samt placeringen og effektiviteten af ​​elektronacceleration ved stød; og (6) oprindelsen af ​​SEP'er.

Endelig, SKA1-observationer vil også have en stærk heliosfærisk komponent, fordi de kunne give begrænsninger på turbulens og bølger i solvinden (se Nakariakov et al. 2015, for detaljer).

Først og fremmest, som det altid er tilfældet med nye instrumenter, der udkonkurrerer deres forgængere på væsentlige måder, er den høje sandsynlighed for nye opdagelser, som endnu ikke kan forudsiges. Denne spændende udsigt forstærkes yderligere af tilgængeligheden af ​​synergistiske aktiviteter mellem SKA og den nye generation af jordbaserede og rumbårne solinstrumenter.