HIRAX:Ser dybt ind i universet efter svar om mørkt stof

Hvordan er stof fordelt i vores univers? Og hvad er det mystiske stof kendt som mørk energi lavet af? HIRAX, et nyt stort teleskoparray bestående af hundredvis af små radioteleskoper, skal give nogle svar. Blandt dem, der er medvirkende til at udvikle systemet, er fysikere fra ETH Zürich.

"Det er et spændende projekt, " siger Alexandre Refregier, Professor i fysik ved ETH Zürich, som han betragter den futuristisk udseende visualisering fra Sydafrika. Billedet viser en scene midt i Karoo-halvørkenen, langt væk fra større bebyggelser, med rækker efter rækker på mere end 1, 000 parabolske reflektorer alle rettet mod det samme punkt. Ved første øjekast, man kan antage, at dette er et solcelleanlæg, men det er faktisk et stort radioteleskop, der i løbet af de kommende år skal give kosmologer ny indsigt i vores univers' sammensætning og historie.

Nøgleelement:brint

HIRAX står for "Hydrogen Intensity and Real-time Analysis eXperiment" og markerer starten på et nyt kapitel i udforskningen af ​​universet. Det nye store teleskop skal opsamle radiosignaler inden for et frekvensområde på 400 til 800 MHz. Disse signaler vil gøre det muligt at måle fordelingen af ​​brint i universet i stor skala. "Hvis vi kan bruge brint, det mest almindelige element i universet, at opdage, hvordan stof er fordelt i rummet, vi kunne så drage konklusioner om, hvad mørkt stof og mørk energi er lavet af, " forklarer Refregier.

Mørk energi og mørkt stof er to mystiske komponenter, der tilsammen udgør langt størstedelen af ​​universet. De spiller en stor rolle i dannelsen af ​​strukturer og i universets accelererede ekspansion. Men eksperter er stadig i tvivl om, præcis hvad mørk energi og mørkt stof er lavet af. HIRAX bør hjælpe med at forstå den præcise karakter af disse to komponenter. Forskerne håber også, at det nye system vil levere indsigt i hurtige radioudbrud og pulsarer.

Kombinerer hundredvis af individuelle signaler

Ikke kun vil Refregier og hans team være involveret i den videnskabelige analyse af dataene, professoren er også med til at udvikle det nye system sammen med sin postdoc Davin Crinchton og ingeniør Thierry Viant. "HIRAX er en bemærkelsesværdig virksomhed, ikke kun fra et videnskabeligt synspunkt, men også fordi det repræsenterer en betydelig teknologisk udfordring, " siger Refregier. Som en del af deres delprojekt i samarbejde med forskere fra universitetet i Genève, ETH-forskerne udvikler, hvad der er kendt som en digital korrelator, som vil kombinere signalerne optaget af hvert af de cirka seks meter lange teleskoper. "I stedet for at bestå af et enkelt stort teleskop, HIRAX-arrayet består af adskillige mindre radioteleskoper, der er korreleret med hinanden, " siger Refregier. "Dette gør det muligt for os at bygge et teleskop med en opsamlingsoverflade og opløsning, der er meget større end et måleapparat med kun én parabolsk reflektor."

Testet i Schweiz

Fysikerne testede først teknologien til den digitale korrektur i Schweiz ved hjælp af et pilotsystem. For at gøre det, de brugte de to historiske radioteleskoper i Bleien-anlægget i den schweiziske kanton Aargau. De vil nu bruge resultaterne af disse test til at udvikle en digital korrektor, der er i stand til at forbinde 256 reflektorer. "HIRAX-teleskopet bliver sat op i etaper, som giver os mulighed for at udvikle og forfine den teknologi, vi har brug for, mens vi går, " siger Refregier. Den nødvendige finansiering til dette delprojekt blev for nylig sikret.

For deres digitale korrelator, ETH Zürich-fysikere bruger højtydende grafikbehandlingsenheder, der oprindeligt blev udviklet til video- og spilapplikationer. Forskerne bryder også nye veje, når det kommer til kalibrering. For at synkronisere de målesignaler, der modtages af de enkelte antenner, de bruger et radiosignal, der transmitteres af en drone. Det er afgørende at lokalisere disse signalers position, så teleskopet derefter kan levere den nødvendige præcision.

En ideel beliggenhed

Det er ikke tilfældigt, at HIRAX-teleskopet bliver installeret i Karoo-halvørkenen. Som et beskyttet område, den er stadig stort set fri for forstyrrende signaler fra mobilkommunikationsantenner. "Det er faktisk ret ironisk, " siger Refregier. "På den ene side, mobil kommunikationsteknologi er en massiv hjælp til at udvikle teleskoper. På den anden, den samme teknologi gør livet svært for radioastronomer, fordi mobilkommunikationsantenner sender inden for lignende frekvensområder.

En anden grund til, at Karoo-regionen er en ideel placering, er, at det også er her en del af det planlagte Square Kilometer Array skal opføres. Når det er afsluttet, dette vil være verdens største radioteleskop, forbinder systemer i Sydafrika og Australien og repræsenterer endnu et gigantisk spring fremad inden for radioastronomi. "På trods af sin fjerne position, Karoo-lokationen er godt forbundet med strøm- og dataledninger, " siger Refregier. I denne henseende, Virksomheden er en udfordring, fordi det nye teleskop vil generere 6,5 terabyte data hvert sekund. "Det er derfor, vi vil installere den digitale korrektur direkte på stedet, så mængden af ​​data først kan reduceres, før den sendes et andet sted til videre behandling, " siger Refregier.

Åbner døren for det næste store projekt

Et samarbejde mellem adskillige andre universiteter fra forskellige lande, HIRAX-projektet er også vigtigt i forhold til forskningspolitikken. Først, det styrker samarbejdet mellem Sydafrika og Schweiz, sætter unge forskere fra førstnævnte i stand til at forske i sidstnævnte. Sekund, Refregier siger, at han er taknemmelig for, at det arbejde, vi udfører med udviklingen af ​​HIRAX, åbner døren for Schweiz' deltagelse i Square Kilometer Array:"Det betyder, at vi kan gøre vores del for at sikre, at schweiziske universiteter er involveret i dette banebrydende projekt og kan holde trit med den seneste udvikling inden for radioastronomi."