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Square Kilometer Array: Completato il Supercomputer

Lo SKA è stato concepito nel 1991 e organizzato da un gruppo di lavoro internazionale nel 1993, con la firma del primo Memorandum di Accordo nel 2000. Vi è stato in seguito un considerevole sviluppo culminato con l’inizio di PrepSKA nel 2008, conclusosi con un progetto completo dello SKA nel 2012. La costruzione della Fase uno avrà luogo dal 2018 al 2020 e fornirà un apparato in grado di portare a termine i primi esperimenti.

La Fase due sarà completata nel 2025, quando si avrà la sensibilità completa sulla gamma di frequenze almeno fino a 14GHZ. La previsione di spesa del progetto SKA è di 2 miliardi di euro, cifra in cui sono compresi i 650 milioni necessari per il completamento della Fase uno nel 2020. Una volta giunto alla sua conclusione lo Square Kilometer Array (SKA) sarà il più grande array di radiotelescopi del mondo.

Lo SKA consentirà agli astronomi di monitorare il cielo con dettagli senza precedenti e di esaminarlo molto più rapidamente rispetto a qualsiasi altro sistema attualmente esistente. Un telescopio così potente ha bisogno anche di un “cervello” abbastanza potente, quest’ultimo sarà infatti composto da ben due supercomputer.

Recentemente, il consorzio dello SKA, Science Data Processor (SDP), ha concluso il lavoro di progettazione ingegneristica su uno di questi supercomputer. Guidato dall’Università di Cambridge, il ruolo del consorzio è stato quello di progettare l’hardware, il software e gli algoritmi necessari per creare una piattaforma di elaborazione in grado di elaborare dati scientifici dal CSP (Central Signal Processor) e trasformarli in pacchetti di dati che verranno archiviati in una rete globale di centri.

Square Kilometer Array
Square Kilometer Array

L’SDP sarà responsabile dell’elaborazione di 5 terabyte di dati al secondo, 100.000 volte più veloce della velocità media prevista per l’internet a banda larga entro il 2022. SDP sarà inoltre dotato di algoritmi specializzati di apprendimento automatico, che gli permetteranno di identificare e rimuovere le interferenze di radio frequenza (RFI) create dall’uomo e altre fonti di “rumore di fondo” dai dati.

I successi del robusto regime di calcolo della SKA serviranno da apripista anche per altri campi, come la climatologica, la previsione e l’analisi meteorologica, la ricerca medica, l’astronomia, la cosmologia e tantissimi altri.

Rimanendo sempre in tema, anche l’Event Horizon Telescope, il dispositivo che ha catturato la prima immagine di un buco nero, vuole espandersi, per catturare immagini più dettagliate di queste singolarità. Inoltre, il telescopio spaziale Spitzer, ha trovato di recente ben 135 galassie antiche.

The SKA – a new observatory to explore the Universe (Sottotitoli in italiano)

Obiettivi principali

Le potenzialità di SKA serviranno a cercare una risposta a molte domande in astrofisica, fisica fondamentale, cosmologia e astrofisica delle particelle, oltre che ampliare l’orizzonte dell’universo osservabile. Una serie di progetti-chiave che sono stati selezionati per essere implementati attraverso lo SKA sono elencati a seguire.

Prove estreme della relatività generale: Per almeno cento anni, la teoria della relatività generale di Albert Einstein ha predetto in modo accurato il risultato di qualsiasi esperimento pensato per metterla alla prova. Molti di questi esperimenti, inclusi i più stringenti, sono stati portati a termite per mezzo di misurazioni radioastronomiche. Utilizzando pulsar come rilevatori di onde gravitazionali cosmiche, o pulsar periodiche scoperte a orbitare attorno a buchi neri, gli astronomi saranno in grado di esaminare i limiti della relatività generale, come il comportamento dello spazio-tempo in regioni di spazio con curvature estreme. L’obiettivo è quello di rilevare se la teoria di Einstein è una descrizione corretta dello spaziotempo e della gravità, oppure se sono necessarie teorie alternative alla relatività generale per spiegare i fenomeni osservati.

Galassie, cosmologia, materia oscura ed energia oscura: La sensibilità dello SKA nella Riga a 21 cm dell’idrogeno neutro consentirà di mappare un miliardo di galassie oltre i confini dell’Universo osservabile. La rilevazione della struttura a larga scala del cosmo fornirà vincoli per determinare i processi risultanti la formazione e l’evoluzione delle galassie. Visualizzare l’idrogeno attraverso l’Universo fornirà un disegno tridimensionale delle prime ondulazioni delle strutture che hanno formato le singole galassie e i raggruppamenti. Questo potrà anche consentire la misurazione degli effetti causati dall’energia oscura che stanno provocando l’incremento del tasso di espansione dell’universo.

Le misurazioni cosmologiche consentite dalle analisi della galassia effettuata dallo SKA includono modelli di prova per energia oscura, gravità, universo primordiale e cosmologia fondamentali. Questi esperimenti sono tutti riassunti in una serie di articoli disponibili in rete.

L’epoca della reionizzazione: Lo SKA è pensato per fornire dati osservativi relativi all’Era Oscura (entro i 300.000 anni dopo il Big Bang, quando termina la radiazione e l’universo si raffredda), e al tempo della Prima Luce (un miliardo di anni dopo, quando si osservano per la prima volta le giovani galassie). Osservando la distribuzione primordiale del gas, lo SKA dovrebbe essere in grado di vedere come l’Universo si è gradualmente illuminato non appena stelle e galassie si sono formate ed evolute. Il periodo compreso tra l’Età Oscura e la Prima Luce è considerato il primo capitolo nella storia cosmica della creazione e l’importanza di vedere questo evento è la ragione principale per cui è stato progettato lo SKA. Per vedere indietro fino alla Prima Luce è necessario un telescopio 100 volte più potente dell’attuale radiotelescopio più grande al mondo.

Magnetismo cosmico: Non è ancora possibile rispondere alle domande fondamentali riguardanti l’origine e l’evoluzione dei campi magnetici cosmici, ma è chiaro che si tratta di componenti molto importanti nello spazio interstellare e intergalattico. Mappando l’effetto del magnetismo sulla radiazione di galassie molto distanti, lo SKA analizzerà la forma del magnetismo cosmico e il ruolo che ha giocato nell’evoluzione dell’Universo

Ricerca di vita extraterrestre: Questo programma scientifico chiave, chiamato “Cradle of Life” (culla della vita), si focalizzerà su tre obiettivi: dischi protoplanetari in zone abitabili, ricerca di materiale chimico prebiotico, e ricerca di vita extraterrestre intelligente (SETI).

  • Lo SKA sarà in grado di analizzare la zona abitabile di protostelle simili al Sole, in cui copri celesti (pianeti o lune) simili alla Terra offrono, con più probabilità, ambienti favorevoli allo sviluppo della vita.
  • Gli astrobiologi saranno in grado di utilizzare lo SKA per cercare composti organici complessi nello spazio profondo, inclusi amminoacidi, identificando righe spettrali a specifiche frequenze.
  • Lo SKA sarà in grado di ricevere segnali radio estremamente deboli da eventuali civiltà extraterrestri esistenti.

Descrizione

L’ SKA combina i segnali ricevuti da migliaia di piccole antenne sparse su una distanza di diverse migliaia di chilometri per simulare un singolo radiotelescopio gigante in grado di ottenere una sensibilità e una risoluzione angolare estremamente elevate, utilizzando una tecnica chiamata sintesi dell’apertura. Alcuni dei sotto-array dello SKA avranno anche un campo visivo molto ampio (FOV), rendendo possibile il rilevamento di aree contemporaneamente molto grandi di cielo. Uno sviluppo innovativo è l’uso di matrici sul piano focale che utilizzano la tecnologia phased-array per fornire più FOV. Ciò aumenterà notevolmente la velocità di rilevamento dello SKA e consentirà a più utenti di osservare contemporaneamente diverse porzioni del cielo, il che è utile per (ad esempio) il monitoraggio di più pulsar. La combinazione di un FOV molto grande con alta sensibilità significa che l’SKA sarà in grado di compilare rilievi estremamente ampi del cielo molto più velocemente di qualsiasi altro telescopio.

SKA
Schema della regione centrale di SKA

L’SKA fornirà una copertura di frequenza continua da 50 MHz a 14 GHz nelle prime due fasi della sua costruzione. Una terza fase estenderà quindi la gamma di frequenze fino a 30 GHz.

  • Fase 1: Fornitura di ~ 10% dell’area di raccolta totale a bassa e media frequenza entro il 2023 (SKA1).
  • Fase 2: completamento della gamma completa (SKA2) alle frequenze basse e medie entro il 2030.

La gamma di frequenze da 50 MHz a 14 GHz, che copre più di due decenni , non può essere realizzata utilizzando un design di antenna e quindi lo SKA comprenderà sotto-array separati di diversi tipi di elementi di antenna che comporranno SKA-low, SKA -Mid e matrici di sondaggi:

  1. SKA-low array: un array a fasi di semplici antenne dipolari per coprire la gamma di frequenze da 50 a 350 MHz. Questi saranno raggruppati in stazioni del diametro di 100 m ciascuna contenente circa 90 elementi.
  2. SKA-mid array: una serie di diverse migliaia di antenne paraboliche (circa 200 da costruire nella Fase 1) per coprire la gamma di frequenze da 350 MHz a 14 GHz. Si prevede che il progetto dell’antenna seguirà quello dell’Allen Telescope Array utilizzando un offset gregoriano con un’altezza di 15 metri e una larghezza di 12 metri.
  3. Serie di rilevamenti SKA: una serie compatta di piatti parabolici di 12-15 metri di diametro ciascuno per la gamma di frequenze medie, ciascuno dotato di un sistema di alimentazione a più raggi, un campo visivo ampio e diversi sistemi di ricezione che coprono circa 350 MHz – 4 GHz. Il sub-array del sondaggio è stato rimosso dalla specifica SKA1 a seguito di un esercizio di “rebaselining” nel 2015

L’area coperta dallo SKA – che si estende per ~ 3000 km – comprenderà tre regioni:

  1. Una regione centrale contenente nuclei con diametro di circa 5 km di antenne SKA-mid (Sudafrica) e dipoli SKA-bassi (Australia occidentale). Queste regioni centrali conterranno circa la metà dell’area di raccolta totale degli array SKA.
  2. Una regione intermedia che si estende per 180 km. Questo conterrà piatti e coppie di stazioni SKA-mid e SKA-low. In ogni caso verranno posizionati casualmente all’interno dell’area con la densità di piatti e stazioni che cadono verso la parte esterna della regione.
  3. Una regione esterna da 180 km a 3000 km. Ciò comprenderà cinque bracci a spirale, lungo i quali saranno posizionati i piatti di SKA-mid, raggruppati in stazioni di 20 piatti. La separazione delle stazioni aumenta verso le estremità esterne dei bracci a spirale.

I Siti

La sede della SKA sarà ubicato a Manchester ‘s Jodrell Bank Observatory , Cheshire , in Inghilterra, mentre i telescopi saranno installati in Australia e Sud Africa.

SKA scanner
Un sistema automatico di scansione radio è uno strumento per il rilevamento dei disturbi radio nei vari siti candidati in Sud Africa.

I siti adatti per il telescopio SKA devono trovarsi in aree non popolate con livelli di radio interferenze artificiali molto bassi. Inizialmente sono stati proposti quattro siti in Sud Africa, Australia, Argentina e Cina.  Dopo considerevoli sondaggi di valutazione del sito, l’Argentina e la Cina sono state ritirate e gli altri due siti sono stati selezionati (con la Nuova Zelanda che ha aderito all’offerta australiana e altri 8 paesi africani che hanno aderito all’offerta sudafricana):

In Australia: Il sito principale si trova nella parte dell’Osservatorio Murchison radioastronomia (MRO) alla stazione Mileura vicino Boolardy in Western Australia 315 km a nord-est di Geraldton  su una superficie piana desertica pianura ad un’altezza di circa 460 metri.

Sud Africa: il sito principale si trova a 30 ° 43’16.068 “S 21 ° 24’40.06″ E ad un’altitudine di circa 1000 metri nell’area di Karoo nell’arida provincia del Capo Settentrionale , a circa 75 km a nord-ovest di Carnarvon , con stazioni distanti in Botswana , Ghana , Kenya , Madagascar , Mauritius , Mozambico , Namibia e Zambia.

SKA
Paesi che hanno partecipato alla fase preparatoria di SKA

Il 10 marzo 2012 è stato riferito che il comitato consultivo del sito SKA aveva presentato a febbraio un rapporto confidenziale sul fatto che l’offerta sudafricana fosse più forte. La decisione finale sul sito da parte del consiglio di amministrazione del progetto era prevista per il 4 aprile 2012. Tuttavia è stato istituito un gruppo di lavoro scientifico per esaminare le possibili opzioni di attuazione delle due regioni ospitanti candidate e il suo rapporto era previsto a metà maggio 2012.

Il 25 maggio 2012 è stato annunciato che lo SKA sarà suddiviso tra i siti sudafricani e africani e i siti di Australia e Nuova Zelanda. Mentre la Nuova Zelanda rimane membro dell’Organizzazione SKA, dal 2014 sembra che non ci sia probabilmente alcuna infrastruttura SKA in Nuova Zelanda. 

Alcune delle 130.000 antenne SKA che si trovano nell’Australia Occidentale come parte del telescopio Square Kilometer Array. I dipoli LFAA saranno numerati a milioni e saranno potenziati dai telescopi da 15 metri per fornire una capacità senza precedenti per SKA.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Universe Today – A Supercomputer has been Designed to run the World’s Largest Radio Telescope,
  2. Sito web ufficiale del progetto, su skatelescope.org.
  3. “La costruzione inizia nella sede della SKA Organization” . Organizzazione SKA. 18 aprile 2012 . Estratto il 26 maggio 2012
  4. Amos, J.Nations gareggia per un telescopio gigante , BBC News , 28 settembre 2006.
  5. Science Network WA , 16 febbraio 2007 Archiviato il 27 aprile 2014 presso la Wayback Machine
  6. Flitton, Daniel (10 marzo 2012). “L’Australia sull’esterno per il più grande telescopio spaziale” . L’età . Estratto il 9 marzo 2012 .
  7. “Ulteriori ritardi segnalati nel piano del super-telescopio” . L’australiano . AFP. 5 aprile 2012 . Estratto il 10 aprile 2012 
  8. Amos, Jonathan (25 maggio 2012). “Africa e Australasia per condividere Square Kilometer Array” . BBC.
  9. Koenig, Robert (18 agosto 2006). “ASTRONOMIA RADIO: Siti candidati per il più grande telescopio al mondo. Primo ostacolo”. Scienza . AAAS . 313 (5789): 910-912. doi : 10.1126 / science.313.5789.910 . PMID  16917038

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