Et massivt teleskop til at se det usynlige

Nogle af universets største mysterier kan snart blive løst takket være Square Kilometer Array (SKA), et enormt radioteleskop, der skal bygges i Sydafrika og Australien. Adskillige EPFL-laboratorier er involveret i dette episke projekt.

Med Square Kilometer Array (SKA) teleskopet, forskere håber at kunne se stof og kræfter, der har været usynlige indtil nu. SKA er et enormt radioteleskop, der vil spænde over to steder:et i Karoo-ørkenen i Sydafrika, og den anden i Murchison-regionen i det vestlige Australien. Forskere fra indtil nu seksten lande og omkring 100 forskningsinstitutioner, inklusive EPFL, er gået sammen om projektet.

"Dette vil afføde en ny æra for vores felt, siger Jean-Paul Kneib, leder af EPFL's Laboratory of Astrophysics (LASTRO). SKA vil give videnskabsmænd hidtil usete muligheder for at studere universet. Mens de fleste teleskoper, som det berømte Hubble-rumteleskop og det meget store teleskop i Chile, bruge optisk brydning og refleksion, SKA vil fange radiobølger. Det bliver ikke det første radioteleskop – der er det ved Arecibo i Puerto Rico, for eksempel – men det bliver langt den største. Den vil have 3, 000 tallerkener og en million antenner, gør det muligt at give billeder af uovertruffen præcision.

Radioastronomi er et underområde af astronomi, der har til formål at detektere og studere himmellegemer, der er usynlige for optiske instrumenter - dvs. genstande, der er ekstremt kolde eller meget langt væk og ikke udsender meget synligt lys. Disse genstande udgør det meste af det stof, der er ude i rummet:gasser, områder blokeret af kosmisk støv og genstande milliarder af lysår væk. En af de vigtigste opdagelser, der er gjort til dato ved hjælp af radioastronomi, er eksistensen af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrund.

"Vi håber, at SKA vil tage os helt tilbage til dengang, hvor galakser endnu ikke eksisterede, siger Frédéric Courbin, en videnskabsmand ved LASTRO. Faktisk, projektet har til formål at løse et af astrofysikkens største mysterier:hvorfor accelererer universets ekspansion? SKA's enestående præstation skulle bane vejen for, at forskere kan besvare det spørgsmål ved at lade dem observere, hvordan de første galakser blev dannet, og hvordan brint fordeles. Brint – et af de mest udbredte grundstoffer i kosmos – kan ikke ses med konventionelle optiske teleskoper, men "lyser klart" med radiobølger.

Kræver meget plads

Radioastronomi er et meget lovende område, men det kommer med sin rimelige andel af forhindringer. For eksempel, dens instrumenter fylder enormt meget. Radiosignaler er rigelige, men ofte meget svage; radioteleskoper skal have et ekstremt stort opsamlingsområde for at producere billeder med god opløsning. Jo større indsamlingsareal, jo højere systemets følsomhed og jo bedre billedopløsning.

Der er to muligheder for at få en stor nok overflade:at bygge massive tallerkener – den største er i Kina og kan prale af en diameter på 500 m – eller bruge flere antenner placeret langt fra hinanden. Denne anden mulighed anvender interferometri, hvilket er en metode, for at sige det enkelt, kombinerer de signaler, der modtages ved hver antenne. Det giver billeder med samme opløsning, som kunne opnås fra en enkelt parabol med en diameter svarende til den største afstand mellem to af antennerne. Dette er den teknologi, der bruges i SKA, hvis antenner vil blive placeret på to kontinenter og omkring 3, 000 km fra hinanden, resulterer i en samleflade på en kvadratkilometer!

Med den slags overfladeareal, videnskabsmænd kan indsamle en imponerende mængde data. En radio skulle fungere i to millioner år for at udsende den samme mængde data, som SKA kan indsamle på en enkelt dag. Men at bearbejde så store mængder information giver en anden stor udfordring for projektteamet. "Vi skal ikke kun finde på de rigtige programmer til at læse og sortere den enorme mængde data, men vi skal også udvikle specifikke algoritmer til astrofysiske applikationer, " siger Courbin.

At træde ind med schweiziske færdigheder

"Hos EPFL har vi stor erfaring på dette område og kan virkelig bringe noget på bordet, " tilføjer Kneib. Derfor besluttede EPFLs Signal Processing Laboratory (LTS5) at tilslutte sig projektet og hjælpe med at oprette en forskergruppe for biomedicinsk og astronomisk signalbehandling (BASP) ved Heriot-Watt University i Edinburgh.

"SKA's enorme indsamlingsområde vil lade det fange ekstremt små, svage signaler, siger Yves Wiaux, der leder BASP-gruppen. "Men de data, vi indsamler fra dens forskellige antenner, vil være meget fragmenterede. Så vi er nødt til at udvikle et system, der ikke kun kan behandle disse signaler hurtigt, men også stykke dem sammen." Gruppen har fundet frem til en tilgang baseret på to metoder:komprimeret sansning, som bruges til at konstruere signaler og billeder ud fra ufuldstændige data, og optimering, som gør det muligt for algoritmer at køre parallelt – dvs. udføre beregninger på flere servere på samme tid.

"Seksten lande er allerede involveret i projektet, og det er ved at blive en stor international indsats. Så nu er det tid til, at Schweiz og dets videnskabsmænd slutter sig til, bidrager med vores betydelige færdigheder og viden – som vi gjorde, da vi blev en del af European Southern Observatory (ESO) og European Space Agency (ESA), siger Kneib.