Hoe is materie verdeeld in ons universum? En waaruit bestaat de mysterieuze substantie die bekend staat als donkere energie? HIRAX, een nieuwe grote telescoopreeks bestaande uit honderden kleine radiotelescopen, zou wat antwoorden moeten geven. Onder degenen die het systeem hebben ontwikkeld, zijn fysici van ETH Zürich.

"Het is een spannend project, " zegt Alexandre Refregier, Hoogleraar natuurkunde aan de ETH Zürich, terwijl hij de futuristisch ogende visualisatie uit Zuid-Afrika beschouwt. De afbeelding toont een scène in het midden van de Karoo-halfwoestijn, ver weg van grotere nederzettingen, met rijen op rijen van meer dan 1, 000 parabolische reflectoren allemaal op hetzelfde punt gericht. Op het eerste gezicht, men zou kunnen aannemen dat dit een zonne-energiecentrale is, maar het is eigenlijk een grote radiotelescoop die kosmologen de komende jaren nieuwe inzichten moet geven in de samenstelling en geschiedenis van ons universum.

Sleutelelement:waterstof

HIRAX staat voor "Hydrogen Intensity and Real-time Analysis eXperiment" en markeert het begin van een nieuw hoofdstuk in de verkenning van het universum. De nieuwe grote telescoop zal radiosignalen opvangen binnen een frequentiebereik van 400 tot 800 MHz. Deze signalen maken het mogelijk om op grote schaal de verdeling van waterstof in het heelal te meten. "Als we waterstof kunnen gebruiken, het meest voorkomende element in het universum, om te ontdekken hoe materie in de ruimte is verdeeld, we zouden dan conclusies kunnen trekken over waaruit donkere materie en donkere energie bestaan, ’ legt Refregier uit.

Donkere energie en donkere materie zijn twee mysterieuze componenten die samen het overgrote deel van het universum vormen. Ze spelen een belangrijke rol bij de vorming van structuren en bij de versnelde uitdijing van het heelal. Maar experts blijven verbaasd over waar donkere energie en donkere materie precies van gemaakt zijn. HIRAX zou moeten helpen om de precieze aard van deze twee componenten te begrijpen. De onderzoekers hopen ook dat het nieuwe systeem inzicht zal geven in snelle radioflitsen en pulsars.

Combineren van honderden individuele signalen

Niet alleen zullen Refregier en zijn team betrokken zijn bij de wetenschappelijke analyse van de gegevens, samen met zijn postdoc Davin Cinchton en ingenieur Thierry Viant werkt de professor ook mee aan de ontwikkeling van het nieuwe systeem. "HIRAX is een opmerkelijke onderneming, niet alleen vanuit wetenschappelijk oogpunt, maar ook omdat het een belangrijke technologische uitdaging vormt, " zegt Refregier. Als onderdeel van hun deelproject in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Genève, de ETH-onderzoekers ontwikkelen wat bekend staat als een digitale correlator, die de signalen combineert die zijn opgenomen door elk van de ongeveer zes meter lange telescopen. "In plaats van uit een enkele grote telescoop te bestaan, de HIRAX-array bestaat uit talrijke kleinere radiotelescopen die met elkaar in verband staan, " aldus Refregier. "Dit stelt ons in staat een telescoop te bouwen met een verzameloppervlak en een resolutie die veel groter is dan een meetapparaat met slechts één parabolische reflector."

Getest in Zwitserland

De natuurkundigen testten de technologie voor de digitale corrector eerst in Zwitserland met een proefsysteem. Om dit te doen, ze gebruikten de twee historische radiotelescopen die gehuisvest zijn in de Bleien-faciliteit in het Zwitserse kanton Aargau. Met de resultaten van deze tests gaan ze nu een digitale corrector ontwikkelen die 256 reflectoren kan koppelen. "De HIRAX-telescoop wordt in fasen opgesteld, waarmee we de technologie die we nodig hebben kunnen ontwikkelen en verfijnen, ', zegt Refregier. De benodigde financiering voor dit deelproject is onlangs veiliggesteld.

Voor hun digitale correlator, de natuurkundigen van ETH Zürich gebruiken krachtige grafische verwerkingseenheden die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor video- en gamingtoepassingen. Ook op het gebied van kalibratie betreden de onderzoekers nieuwe wegen. Om de door de afzonderlijke antennes ontvangen meetsignalen te synchroniseren, ze gebruiken een radiosignaal dat door een drone wordt uitgezonden. Het is cruciaal om de positie van deze signalen te lokaliseren, zodat de telescoop vervolgens de vereiste precisie kan bieden.

Een ideale locatie

Het is geen toeval dat de HIRAX-telescoop in de halfwoestijn van Karoo wordt geïnstalleerd. Als beschermd gebied, het is nog steeds grotendeels vrij van storende signalen van antennes voor mobiele communicatie. "Het is eigenlijk best ironisch, " zegt Refregier. "Aan de ene kant, mobiele communicatietechnologie is een enorme hulp bij het ontwikkelen van telescopen. Op de andere, diezelfde technologie maakt het leven van radioastronomen moeilijk omdat antennes voor mobiele communicatie binnen vergelijkbare frequentiebereiken uitzenden.

Een andere reden waarom de Karoo-regio een ideale locatie is, is dat hier ook een deel van de geplande Square Kilometre Array zal worden gebouwd. Eenmaal klaar, dit wordt de grootste radiotelescoop ter wereld, verbindende systemen in Zuid-Afrika en Australië en vertegenwoordigen weer een grote sprong voorwaarts in de radioastronomie. "Ondanks de afgelegen ligging, de Karoo-locatie is goed verbonden met stroom- en datalijnen, " zegt Refregier. Wat dat betreft, de onderneming vormt een uitdaging omdat de nieuwe telescoop elke seconde 6,5 terabyte aan gegevens zal genereren. "Daarom gaan we de digitale corrector direct ter plaatse installeren, zodat de hoeveelheid data eerst kan worden verminderd voordat deze voor verdere verwerking ergens anders heen wordt gestuurd, ' zegt Refriger.

De deur openen voor het volgende grootschalige project

Een samenwerking tussen tal van andere universiteiten uit verschillende landen, het HIRAX-project is ook belangrijk voor het onderzoeksbeleid. Eerst, het versterkt de samenwerking tussen Zuid-Afrika en Zwitserland, jonge wetenschappers uit de eerste groep in staat stellen om onderzoek te doen in de laatste. Tweede, Refregier zegt dankbaar te zijn dat het werk dat we doen aan de ontwikkeling van HIRAX de deur opent naar de deelname van Zwitserland aan de Square Kilometre Array:"Dit betekent dat we ons steentje kunnen bijdragen om ervoor te zorgen dat Zwitserse universiteiten worden betrokken bij dit baanbrekende project en gelijke tred kunnen houden met de laatste ontwikkelingen in de radioastronomie."