Enkele van de grootste mysteries van het universum kunnen binnenkort worden opgelost dankzij de Square Kilometre Array (SKA), een enorme radiotelescoop die in Zuid-Afrika en Australië zal worden gebouwd. Verschillende EPFL-labs zijn betrokken bij dit epische project.

Met de Square Kilometre Array (SKA) telescoop, wetenschappers hopen materie en krachten te kunnen zien die tot nu toe onzichtbaar waren. De SKA is een immense radiotelescoop die twee locaties zal omspannen:één in de Karoo-woestijn in Zuid-Afrika, en de andere in de regio Murchison in het westen van Australië. Wetenschappers uit zestien landen tot nu toe en ongeveer 100 onderzoeksinstellingen, inclusief EPFL, hebben samengewerkt voor het project.

"Dit zal een nieuw tijdperk voor ons veld voortbrengen, " zegt Jean-Paul Kneib, hoofd van EPFL's Laboratorium voor Astrofysica (LASTRO). De SKA geeft wetenschappers ongekende mogelijkheden om het heelal te bestuderen. Terwijl de meeste telescopen, zoals de beroemde Hubble Space Telescope en de Very Large Telescope in Chili, gebruik optische breking en reflectie, de SKA zal radiogolven opvangen. Het zal niet de eerste radiotelescoop zijn - er is die in Arecibo in Puerto Rico, bijvoorbeeld – maar het zal verreweg de grootste zijn. Het zal er 3 hebben, 000 schotels en een miljoen antennes, waardoor het beelden van ongeëvenaarde precisie kan leveren.

Radioastronomie is een deelgebied van de astronomie dat tot doel heeft hemellichamen te detecteren en te bestuderen die onzichtbaar zijn voor optische instrumenten - d.w.z. objecten die extreem koud of erg ver weg zijn en niet veel zichtbaar licht uitstralen. Deze objecten vormen het grootste deel van de materie in de ruimte:gassen, gebieden die worden geblokkeerd door kosmisch stof en objecten op miljarden lichtjaren afstand. Een van de belangrijkste ontdekkingen die tot nu toe zijn gedaan met behulp van radioastronomie, is het bestaan ​​van de kosmische microgolfachtergrond.

"We hopen dat de SKA ons helemaal terug zal brengen naar de tijd dat sterrenstelsels nog niet bestonden, " zegt Frédéric Courbin, een wetenschapper bij LASTRO. In feite, het project heeft tot doel een van de grootste mysteries in de astrofysica op te lossen:waarom versnelt de uitdijing van het universum? De uitzonderlijke prestaties van de SKA moeten de weg vrijmaken voor wetenschappers om die vraag te beantwoorden door hen te laten observeren hoe de eerste sterrenstelsels werden gevormd en hoe waterstof wordt verdeeld. Waterstof - een van de meest voorkomende elementen in de kosmos - kan niet worden gezien met conventionele optische telescopen, maar "schijnt helder" met radiogolven.

Veel ruimte nodig

Radioastronomie is een veelbelovend veld, maar het komt met een behoorlijk aantal hindernissen. Bijvoorbeeld, zijn instrumenten nemen enorm veel ruimte in beslag. Radiosignalen zijn er in overvloed, maar vaak erg zwak; radiotelescopen moeten een extreem groot verzamelgebied hebben om beelden met een goede resolutie te produceren. Hoe groter het verzamelgebied, hoe hoger de gevoeligheid van het systeem en hoe beter de beeldresolutie.

Er zijn twee opties om een ​​voldoende groot oppervlak te krijgen:het bouwen van massieve schotels - de grootste staat in China en heeft een diameter van 500 m - of het gebruik van meerdere antennes die ver uit elkaar zijn geplaatst. Deze tweede optie maakt gebruik van interferometrie, dat is een methode die simpel gezegd, combineert de signalen die bij elke antenne worden ontvangen. Dat levert beelden op met dezelfde resolutie als zou kunnen worden verkregen met een enkele schotel met een diameter die gelijk is aan de grootste afstand tussen twee van de antennes. Dit is de technologie die wordt gebruikt in de SKA, waarvan de antennes zich op twee continenten zullen bevinden en ongeveer 3, 000 km van elkaar, resulterend in een verzameloppervlak van een vierkante kilometer!

Met zo'n oppervlakte, wetenschappers kunnen een indrukwekkende hoeveelheid gegevens verzamelen. Een radio zou twee miljoen jaar moeten werken om dezelfde hoeveelheid gegevens uit te zenden die de SKA op één dag kan verzamelen. Maar het verwerken van zulke enorme hoeveelheden informatie werpt een andere grote uitdaging op voor het projectteam. "We moeten niet alleen de juiste programma's bedenken voor het uitlezen en sorteren van de enorme hoeveelheid data, maar we moeten ook specifieke algoritmen ontwikkelen voor astrofysische toepassingen, ' zegt Courbin.

Aan de slag met Zwitserse vaardigheden

"Bij EPFL hebben we uitgebreide ervaring op dit gebied en kunnen we echt iets op tafel brengen, ", voegt Kneib toe. Daarom heeft EPFL's Signal Processing Laboratory (LTS5) besloten om zich bij het project aan te sluiten en te helpen bij het opzetten van een onderzoeksgroep voor biomedische en astronomische signaalverwerking (BASP) aan de Heriot-Watt University in Edinburgh.

"Door het enorme verzamelgebied van de SKA kunnen extreem kleine, zwakke signalen, " zegt Yves Wiaux, die de BASP-groep leidt. "Maar de gegevens die we van de verschillende antennes verzamelen, zullen zeer gefragmenteerd zijn. We moeten dus een systeem ontwikkelen dat niet alleen die signalen snel kan verwerken, maar voeg ze ook samen." De groep heeft een aanpak bedacht die gebaseerd is op twee methoden:gecomprimeerde sensing, die wordt gebruikt om signalen en afbeeldingen te construeren uit onvolledige gegevens, en optimalisatie, waardoor algoritmen parallel kunnen lopen - d.w.z. berekeningen op meerdere servers tegelijk uitvoeren.

"Zestien landen zijn al betrokken bij het project en het wordt een grote internationale onderneming. Dus nu is het tijd voor Zwitserland en zijn wetenschappers om mee te doen, onze substantiële vaardigheden en kennis bij te dragen - zoals we deden toen we onderdeel werden van de European Southern Observatory (ESO) en de European Space Agency (ESA), ' zegt Kneib.