Alcuni dei più grandi misteri dell'universo potrebbero presto essere risolti grazie allo Square Kilometer Array (SKA), un enorme radiotelescopio che sarà costruito in Sud Africa e Australia. Diversi laboratori EPFL sono coinvolti in questo epico progetto.

Con il telescopio Square Kilometer Array (SKA), gli scienziati sperano di poter vedere la materia e le forze che sono state invisibili fino ad ora. Lo SKA è un immenso radiotelescopio che si estenderà su due siti:uno nel deserto del Karoo in Sud Africa, e l'altro nella regione di Murchison dell'Australia occidentale. Scienziati provenienti da sedici paesi finora e circa 100 istituti di ricerca, compreso EPFL, hanno unito le forze per il progetto.

"Questo darà origine a una nuova era per il nostro campo, "dice Jean-Paul Kneib, capo del Laboratorio di Astrofisica dell'EPFL (LASTRO). Lo SKA offrirà agli scienziati capacità senza precedenti per lo studio dell'universo. Mentre la maggior parte dei telescopi, come il famoso telescopio spaziale Hubble e il Very Large Telescope in Cile, utilizzare la rifrazione ottica e la riflessione, lo SKA catturerà le onde radio. Non sarà il primo radiotelescopio, c'è quello ad Arecibo in Porto Rico, per esempio, ma sarà di gran lunga il più grande. avrà 3, 000 antenne e un milione di antenne, consentendogli di fornire immagini di una precisione senza pari.

La radioastronomia è un sottocampo dell'astronomia che mira a rilevare e studiare oggetti celesti invisibili agli strumenti ottici, ovvero, oggetti molto freddi o molto lontani e che emettono poca luce visibile. Questi oggetti costituiscono la maggior parte della materia che si trova nello spazio:gas, regioni bloccate da polvere cosmica e oggetti distanti miliardi di anni luce. Una delle scoperte più importanti fatte fino ad oggi utilizzando la radioastronomia è l'esistenza del fondo cosmico a microonde.

"Speriamo che la SKA ci riporti indietro nel tempo, quando le galassie non esistevano ancora, "dice Frédéric Courbin, uno scienziato alla LASTRO. Infatti, il progetto mira a risolvere uno dei più grandi misteri dell'astrofisica:perché l'espansione dell'universo sta accelerando? Le eccezionali prestazioni dello SKA dovrebbero aprire la strada agli scienziati per rispondere a questa domanda permettendo loro di osservare come si sono formate le prime galassie e come viene distribuito l'idrogeno. L'idrogeno – uno degli elementi più abbondanti nel cosmo – non può essere visto con i telescopi ottici convenzionali ma "brilla brillante" con le onde radio.

Molto spazio richiesto

La radioastronomia è un campo molto promettente, ma arriva con la sua giusta quota di ostacoli. Ad esempio, i suoi strumenti occupano una quantità enorme di spazio. I segnali radio sono abbondanti ma spesso molto deboli; i radiotelescopi devono avere un'area di raccolta estremamente ampia per produrre immagini con una buona risoluzione. Maggiore è l'area di raccolta, maggiore è la sensibilità del sistema e migliore è la risoluzione dell'immagine.

Ci sono due opzioni per ottenere una superficie abbastanza grande:costruire parabole massicce – la più grande si trova in Cina e vanta un diametro di 500 m – oppure utilizzare più antenne poste distanti tra loro. Questa seconda opzione utilizza l'interferometria, che è un metodo che, per dirla semplicemente, combina i segnali ricevuti su ciascuna antenna. Ciò fornisce immagini con la stessa risoluzione che si potrebbe ottenere da una singola parabola con un diametro pari alla distanza massima tra due antenne qualsiasi. Questa è la tecnologia utilizzata nello SKA, le cui antenne saranno dislocate in due continenti e circa 3, 000 km di distanza, risultando in una superficie di raccolta di un chilometro quadrato!

Con quel tipo di superficie, gli scienziati possono raccogliere una quantità impressionante di dati. Una radio dovrebbe funzionare per due milioni di anni per trasmettere la stessa quantità di dati che lo SKA può raccogliere in un solo giorno. Ma l'elaborazione di una così grande quantità di informazioni pone un'altra grande sfida per il team di progetto. "Non solo dobbiamo trovare i programmi giusti per leggere e ordinare l'enorme volume di dati, ma dobbiamo anche sviluppare algoritmi specifici per applicazioni di astrofisica, "dice Coubin.

Entrare in campo con competenze svizzere

"In EPFL abbiamo una vasta esperienza in questo campo e possiamo davvero portare qualcosa in tavola, " aggiunge Kneib. Ecco perché il Signal Processing Laboratory (LTS5) dell'EPFL ha deciso di unirsi al progetto e aiutare a creare un gruppo di ricerca sull'elaborazione dei segnali biomedici e astronomici (BASP) presso la Heriot-Watt University di Edimburgo.

"L'enorme area di raccolta dello SKA consentirà di catturare estremamente piccoli, segnali deboli, "dice Yves Wiaux, che guida il gruppo BASP. "Ma i dati che raccogliamo dalle sue varie antenne saranno altamente frammentati. Quindi abbiamo bisogno di sviluppare un sistema che non solo possa elaborare rapidamente quei segnali, ma anche metterli insieme." Il gruppo ha elaborato un approccio basato su due metodi:rilevamento compresso, che viene utilizzato per costruire segnali e immagini da dati incompleti, e ottimizzazione, che consente agli algoritmi di funzionare in parallelo, ovvero eseguire calcoli su più server contemporaneamente.

"Sedici paesi sono già coinvolti nel progetto e sta diventando una grande impresa internazionale. Quindi ora è tempo che la Svizzera e i suoi scienziati si uniscano, contribuendo con le nostre competenze e conoscenze sostanziali, come abbiamo fatto quando siamo entrati a far parte dell'Osservatorio europeo meridionale (ESO) e dell'Agenzia spaziale europea (ESA), "dice Kneib.