Sieć White Rabbit napędza LOFAR2.0 – największy w Europie radioteleskop niskich częstotliwości

W styczniu 2023 r. Creotech dostarczył przełączniki White Rabbit do Niderlandzkiego Instytutu Radioastronomii ASTRON, operatora sieci LOFAR. LOFAR to największa na świecie sieć radioteleskopów działających na najniższych obserwowalnych częstotliwościach. Tworzy ją rozproszona infrastruktura: 38 stacji w północnych Niderlandach (24 obok siebie i 14 rozsianych na odległości do 120 km) oraz kolejnych 14 stacji w Europie – sześć w Niemczech, trzy w Polsce, po jednej w Wielkiej Brytanii, Szwecji, Francji, Irlandii i Łotwie – tworząc teleskop o rozmiarze całej Europy Zachodniej. 

Dzięki temu, że anteny LOFAR są rozsiane po całej Europie, a niektóre stacje dzieli nawet 2000 km, teleskop potrafi „patrzeć” na niebo bardzo szczegółowo, mimo że odbiera sygnały o bardzo niskich częstotliwościach. Otwiera to okno na obszary Wszechświata w częstotliwościach radiowych, które inne instrumenty ledwo dostrzegają, umożliwiając badania na temat wczesnego Wszechświata, galaktyk, emisji radiowej, pól magnetycznych i nie tylko. 

LOFAR2.0 korzysta z przełączników White Rabbit do synchronizacji sygnałów czasowych ze wszystkich anten w Niderlandach z precyzją subnanosekundową. Precyzyjna synchronizacja poprawia kalibrację jonosfery (warstwy atmosfery pełnej naładowanych cząstek, które mogą zakłócać fale radiowe) i obrazowanie, a także umożliwia dystrybucję czasu i częstotliwości na setki kilometrów – kluczowy element systemu synchronizacji LOFAR2.0. Co ciekawe, połączenie między zegarem głównym a najdalszym przełącznikiem podrzędnym pokazuje unikalność tej aplikacji w porównaniu do innych teleskopów radiowych. 

Przejście z LOFAR1.0 do LOFAR2.0 wymagało m.in. znacznego zwiększenia stabilności synchronizacji czasowej. Perfekcyjnie zsynchronizowana, nowoczesna sieć radioteleskopów w całych Niderlandach? Brzmi jak wyzwanie! 

Ciekawostka: w typowych sieciach White Rabbit odległości między poszczególnymi elementami wynoszą ok. 10 km. ASTRON przesunął granice znacznie dalej, wdrażając najdłuższe bezpośrednie połączenie White Rabbit, jakie znamy – 65 km między dwoma switchami. 

Szczegółowe dane

Kontekst / Problem: 

Zegary w różnych stacjach LOFAR nie były idealnie zsynchronizowane z zegarem centralnym, więc trzeba je było często kalibrować, co skracało czas obserwacji. Dodatkowo, przesunięcia w czasie powodowały, że teleskop czasem „celował” nieprecyzyjnie. 

Cel: 

Rozproszony system zegarowy z niewielkimi, stałymi przesunięciami czasowymi pomiędzy wszystkimi niderlandzkimi stacjami LOFAR. Dzięki dystrybucji centralnego zegara wszystkie stacje pracują w tej samej skali czasu, co ogranicza błędy systematyczne w danych naukowych. 

Rozwiązanie: 

• Wdrożenie sieci dystrybucji zegara White Rabbit z precyzyjnie skalibrowanymi połączeniami do wszystkich stacji LOFAR w Niderlandach. 

• Aby spełnić wymagania synchronizacji White Rabbit: 

- zastosowano moduły optyczne SFP w technologii DWDM, które zwiększają stabilność i niezawodność połączeń światłowodowych. 

- wykorzystano sąsiednie kanały DWDM, aby ograniczyć wpływ dyspersji w obu kierunkach transmisji. 

Wyniki:

Po lewej: LOFAR1.0 

Wykres przedstawia przesunięcie zegarów poszczególnych stacji względem zegara referencyjnego. Oprócz stałych różnic między stacjami widoczny jest także dryf zegarów rzędu 10–20 ns w trakcie ośmiogodzinnej obserwacji. 

Po prawej: LOFAR2.0 

Wykres pokazuje przesunięcie zegarów między dwiema stacjami przy nowej dystrybucji zegara opartej na technologii White Rabbit. Czerwone punkty przedstawiają poszczególne obserwacje (każda trwająca 1 godz. i 10 min.), a czarna linia to dopasowanie danych. Przesunięcie zegarów zmniejszyło się z setek nanosekund do kilku nanosekund, a dryf spadł do ok. 0,05 ns/h. 

Wnioski:

Stabilny sprzęt umożliwił wdrożenie sieci dystrybucji zegara z wysoką niezawodnością, co znacząco poprawiło precyzję synchronizacji i ogólną wydajność radioteleskopu. 

Źródła (zdjęcia i wykres): LOFAR