FAQ sullo Square Kilometre Array

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Crediti: SKA Organisation

Introduzione

Sono statti fatti molti passi in avanti nell’ambito del progetto dello Square Kilometre Array (SKA) nel corso degli ultimi anni, e soprattutto negli ultimi mesi, e siamo sempre più vicini all’inizio della costruzione, previsto per il 2018. La timeline del progetto offre una buona idea di ciò che è stato realizzato e delle principali tappe che sono state completate finora dalla SKA Organisation. Questi progressi stanno generando un interesse crescente intorno a quello che diventerà, in pochi anni, il più grande network di radiotelescopi del mondo. Interesse che proviene dai numerosi paesi  già impegnati nel progetto, dalla comunità scientifica e ingegneristica, oltre che dalle industrie, dai paesi che ospiteranno il progetto, dai media e dal pubblico in generale.

Cosa significa SKA?

SKA sta per Square Kilometre Array. Questo riflette l’idea originale di costruire un network di radiotelescopi che copra un’area di raccolta di un chilometro quadrato grazie a uno schieramento di antenne (a parabola e a dipolo) distribuite su un’area di diversi di chilometri e su due continenti. Questa idea risale all’inizio degli anni ’90 e, sebbene la visione originale non sia cambiata, il progetto è andato ben oltre. L’area di raccolta della prima fase (SKA1) del progetto, che rappresenta ovviamente sono una frazione di SKA, è già quasi mezzo chilometro quadrato. Per questo i ricercatori sono sicuri che alla fine della seconda fase di costruzione (SKA2) si supererà il chilometro quadrato..

Cosa è SKA e cosa farà?

Lo Square Kilometre Array è un progetto internazionale per costruire un network di radiotelescopi decine di volte più sensibili e centinaia di volte più veloci a mappare il cielo di ogni altro strumento disponibile oggi. In poche parole: sarà il più grande radiotelescopio del mondo.

SKA, però, non è un singolo telescopio, ma una raccolta di diversi tipi di antenne (per questo si chiama array) posizionate in un layout diffuso e distribuito su lunghe distanze. SKA sarà anche il più grande progetto di raccolta dati al mondo: una volta completato genererà dati a una velocità 10 volte superiore al traffico Internet globale di oggi. Un’altra curiosità è che SKA sarà abbastanza potente da captare segnali radio molto deboli emessi da sorgenti cosmiche anche a miliardi di anni luce di distanza dalla Terra, i segnali emessi nei primi anni dell’Universo (più di 13 miliardi di anni fa), quando le prime galassie e stelle hanno iniziato la loro formazione.

SKA sarà utilizzato per rispondere alle domande fondamentali della scienza sulle leggi della natura: come hanno fatto l’Universo e le stelle e le galassie in esso contenute a formarsi ed evolversi? La teoria della relatività di Einstein era corretta? Qual è la natura della ‘materia oscura’ e della ‘energia oscura’? Qual è l’origine del magnetismo cosmico? C’è vita altrove nell’Universo? Ma le scoperte più importanti che verranno effettuate con SKA non le abbiamo ancora immaginate.

Collecting area of SKA1 instruments compared to other radio facilities

Come sarà fatto SKA?

Lo Square Kilometre Array utilizzerà diverse tipologie di antenne: per la fase SKA1 antenne paraboliche (i dish, simili ma molto più grandi di una parabola satellitare domestica) e le antenne a dipolo (che sembrano le antenne della TV), ed eventualmente un terzo tipo di antenne nella seconda fase di costruzione.

Ogni tipologia di antenna è più adatta a ricevere segnali a frequenze diverse: le antenne a dipolo captano frequenze molto basse, simili a quelle delle stazioni radio FM; i dish operano a frequenze più elevate, simili a quelle utilizzate per la trasmissione del segnale del nostro cellulare.

Dish: una volta completato, SKA includerà diverse centinaia di antenne paraboliche (fino a duemila, anche se il numero esatto non è ancora del tutto definito), ognuna di 15 metri di diametro. La maggior parte di questi dish sarà situata in Sudafrica (e parte anche in altri stati africani). Queste antenne paraboliche saranno in grado di supportare diverse condizioni ambientali con ridotte e poco costose esigenze di manutenzione.

Antenne a diopolo: SKA sarà composto da un massimo di un milione di antenne a dipolo quando verrà completato. Migliaia di stazioni distribuite in Australia su centinaia di chilometri ospiteranno qualche centinaia di antenne ciascuna in quello che viene chiamato un “array di apertura” (aperture array).

SKA1 LOW SKA1 MID
Location Australia South Africa
frequency range 50 MHz – 350 MHz 350 MHz – 14 GHz
collecting area 0.4km2 33,000m2
antenna type low frequency aperture array (dipole) dish
quantity (approximate) 130,000 200 (includes 64 MeerKAT dishes)
baseline (km) 65 150
raw data output (TB/s) 157 2
resolution improvement (over LOFAR for LOW and JVLA for MID) 1.25 4
sensitivity improvement (over LOFAR for LOW and JVLA for MID) 8 5
survey speed improvement (over LOFAR for LOW and JVLA for MID) 135 60

Come funziona un radiotelescopio?

I segnali radio sono emessi da un grande numero di sorgenti cosmiche. Avete presente il rumore bianco che si sente alla radio? Quasi impercettibile ma c’è. I radiotelescopi sono significativamente più sensibili delle radio convenzionali e riescono a captare le deboli emissioni radio dallo spazio più profondo che poi vengono analizzate dai supercomputer per restituirci le immagini dell’Universo.

Un radiotelescopio è costituito da un’antenna, un ricevitore e un processore dati. Costruendo grandi antenne con ricevitori sofisticati, amplificatori incorporati, il debole segnale cosmico viene captato e amplificato. Se queste antenne vengono distribuite su un’area abbastanza larga, lo schieramento (l’array) avrà una risoluzione migliore – per esempio sarà in grado di distinguere dettagli quasi impercettibili degli oggetti che vengono osservati.

Cosa rende SKA così speciale?

SKA è un progetto di mega-scienza che metterà alla prova i limiti e le capacità di ingegneri e scienziati nei prossimi decenni. Costruire SKA richiederà lo sviluppo di una tecnologia all’avanguardia, compresa la progettazione dei supercomputer più veloci del mondo che dovranno elaborare i dati a una velocità di gran lunga superiore al traffico globale di internet. SKA utilizzerà migliaia di antenne radio e ciò consentirà agli astronomi di sondare l’universo con una precisione senza precedenti. SKA sarà anche in grado di studiare tutto il cielo molto più velocemente di qualsiasi altro radiotelescopio o telescopio attualmente esistente.

Cosa rende SKA così potente?

La percezione comune di un radiotelescopio è di un singolo grande disco a parabola. Ci sono, però, dei limiti strutturali e ingegneristici che impediscono a una parabola di essere troppo grande. Per costruire radiotelescopi più grandi gli astronomi utilizzano una tecnica chiamata interferometria. Questo termine sta a indicare l’utilizzo di un grande numero di “piccole” antenne, connesse tra di loro da una rete di fibra ottica, che lavorano come un virtuale grande telescopio, chiamato array. Più antenne ci sono, più è larga l’area di raccolta e maggiore sarà la sensibilità per captare le deboli emissioni radio dallo spazio.

La combinazione di diversi fattori (area di raccolta senza precedenti, versatilità e sensibilità) faranno di SKA il network di radiotelescopi più potente al mondo potendo spaziare tra una vasta gamma di frequenze radio e riuscendo a restituirci la più nitida e precisa immagine del cielo mai prodotta.

Crediti: SKA Organisation

Cosa sono i pathfinder e i precursori?

I pathfinder e i precursori dello Square Kilometre Array sono telescopi coinvolti negli studi e nella tecnologia che faranno da apripista a questo grande progetto. La preziosa esperienza conquistata costruendo e gestendo questi precursori aiuterà in questi anni a costruire le antenne di SKA. I precursori si trovano sia in Australia e che in Sudafrica e includono le antenne MeerKAT in Sudafrica, e l’MWA e l’ASKAP in Australia. I progetti apripista o pathfinder, invece, sono in tutto il mondo e operano già da anni, come VLA negli Stati Uniti, LOFAR nei Paesi Bassi, GMRT in India. Per saperne di più CLICCA QUI.

Cosa sono SKA1 e SKA2?

Lo Square Kilometre Array verrà costruito in due fasi: la fase SKA1 in Sudafrica e Australia rappresenta solo una parte del progetto; la fase SKA2 comprenderà anche altri paesi africani e le antenne in Australia verranno ampliate.

Perché la costruzione è stata divisa in fasi?

La decisione di dividere la costruzione in fasi è stata presa principalmente per arginare eventuali rischi e permettere di seguire lo sviluppo della tecnologia negli anni. SKA1 consentirà un miglioramento importante nella capacità osservativa rispetto agli strumenti attualmente esistenti. La costruzione dovrebbe iniziare nel 2018 e i primi risultati scientifici dovrebbero arrivare per il 2020. Per terminare il progetto ci vorrà più di un decennio.

A che punto è attualmente il progetto SKA?

Il progetto SKA è entrato nella nella parte finale della fase di pre-costruzione, che consiste nel definire il design del telescopio prima che la costruzione di SKA1 inizi nel 2018. In parallelo stiamo lavorando con la comunità scientifica in tutto il mondo per perfezionare i diversi obiettivi scientifici chiave da affrontare nel corso dei primi anni di funzionamento dei radiotelescopi, a partire dal 2020.

Dal punto di vista politico, stiamo continuando a lavorare per fare della SKA Organisation un’organizzazione intergovernativa regolata da un trattato, come CERN ed ESO, il che assicurerà una forte governance per tutta la durata del progetto.

Il design dei radiotelescopi è stato definito?

Il design della prima fase del progetto (SKA1) è stato definito, sebbene dovrà essere rivisto dagli ingegneri prima della fine della fase di pre-costruzione e i dati possono ancora variare leggermente. Gli strumenti SKA, infatti, sono pensati per sfruttare la tecnologia man mano che verrà aggiornata dagli ingegneri e dai ricercatori. Anche i costi del progetto potranno variare, in positivo, man mano che nuovi paesi si uniranno alla SKA Organisation.

SKA1 rappresenterà solo una frazione del progetto, così come della capacità finale di osservare il cielo con una risoluzione senza precedenti. SKA1 presenterà due strumenti complementari, garantendo una costante copertura delle frequenze da 50 MHz a 14 GHz: uno strumento per le basse frequenze costituito dalle antenne a dipolo in Australia (50-350 MHz) e uno strumento per le medie frequenze costituito dai dish in Sudafrica (350 MHz-14GHz).

SKA-MID in Africa. Crediti: SKA Organisation

Le antenne sudafricane (SKA1 MID): un versatile schieramento di centinaia di parabole che osserveranno pulsar e buchi neri per captare le onde gravitazionali predette da Einstein, testando la gravità e cercando le prove dell’esistenza della vita altrove nella nostra galassia.

SKA Low Frequency Aperture Array. Crediti: SKA Organisation

In Australia: centinaia di migliaia di antenne a dipolo (SKA1 LOW) che si dedicheranno allo studio dell’Epoca della reionizzazione. Saremo in grado di guardare indietro fino al primo miliardo di anni dell’Universo, al momento cioè in cui le prime stelle e le galassie si sono formate. Mappando l’Universo oltre 13 miliardi di anni, SKA sarà cercherà di dare delle risposte sul mistero della materia oscura e dell’energia oscura.

Qual era il design originale e perché il progetto adesso è diverso?

Il progetto SKA è iniziato molti anni fa con una visione di dove la scienza potesse andare e dei grandi misteri a cui trovare una soluzione. Il baseline design di SKA è servito come base di lavoro da cui partire per perfezionare la progettazione del radiotelescopio che si è dovuto adattare al budget disponibile.

Il processo di progettazione che portato al raffinato design finale (chiamato re-baselining) è durato molti mesi e ha coinvolto ingegneri e ricercatori provenienti dagli istituti di ricerca di tutto il mondo. Il risultato è SKA1, un netowrk di radiotelescopi che è già diverse volte meglio di qualsiasi altra struttura all’avanguardia esistente oggi. Il processo di re-baselining è tipico di ogni progetto di questa scala, come ALMA, il Very Large Telescope (VLT) e LOFAR.

SKA1 riuscirà da solo a portare una svolta per la comunità scientifica?

Assolutamente sì! SKA1 LOW, che verrà costruito nel deserto dell’Australia Occidentale, sarà 8 volte più sensibile e 135 volte più veloce di LOFAR, cioè quello che oggi è il miglior network di radiotelescopi a queste frequenze. SKA1 MID, che verrà costruito in Sudafrica, sarà almeno 5 volte più sensibile e 60 volte più veloce del Very Large Array (VLA), all’avanguardia nel campo della radioastronomia. Bastano questi dati, quindi, per creare le premesse per una serie di scoperte fondamentali che inizieranno ad arrivare dal 2020. E ricordate che SKA1 è solo l’inizio.

SKA sta rispettando la tabella di marcia e quando inizierà la costruzione?

Finora il progetto SKA ha superato tappe fondamentali avvicinandosi alla fase della costruzione. Attualmente la serie delle Preliminary Design Reviews per ogni componente dei radiotelescopi si sta concludendo. Questo è un passo importante di revisione durante la fase di progettazione di un progetto della portata di SKA, assicurando che il progetto iniziale soddisfi i requisiti richiesti entro i vincoli di costo e tempo fissati. E questo pone una solida base per procedere alla Critical Design Review (CDR) per la fine del 2016, l’ultimo passo prima dell’inizio della costruzione.

Le principali tappe del progetto

  • 2012 – 2017: Fase di design di SKA1
  • 2018 – 2023: Costruzione di SKA1
  • 2020: Prime osservazioni con SKA1
  • 2023 – 2030: Costruzione di SKA2
  • 2030: Strumenti totalmente operanti

SKA è spesso definito come un progetto di Big Data. Che cosa significa?

Il progetto SKA richiede un notevole sviluppo tecnologico particolarmente nel campo dei Big Data e dell’ultra-fast computing. Potrebbe anche diventare il più grande progetto di dati pubblici del mondo.

Proprio nella sua prima fase, il telescopio produrrà circa 160 terabyte di dati grezzi al secondo che i supercomputer dovranno gestire. Questo è l’equivalente di più di 35.000 DVD ogni secondo. Per far fronte a questa sfida, la SKA Organisation sta collaborando con aziende come IBM, Intel, Nvidia, Amazon Web Services e altre per valutare soluzioni innovative come il cloud computing, l’elaborazione grafica e i chip a basso consumo energetico.

Qual è la situazione dei finanziamenti e quanto sarà il costo SKA?

L’attuale fase di progettazione e design del telescopio è interamente finanziata, per un costo di circa 150 milioni di euro. Il costo totale per la costruzione di SKA1 è di 650 milioni di euro.

I negoziati formali con i governi possono iniziare, e rappresentano il primo passo per l’approvazione dei contributi nazionali prima della costruzione nel 2018. Già molti paesi hanno espresso i loro impegni finanziari nel progetto, compresi i paesi ospitanti, il che corrisponde ad una porzione significativa del finanziamento totale.

SKA1 è solo una frazione del progetto finale, circa il 10% in termini di capacità finali. Tuttavia questo non significa il costo finale del progetto sarà 10 volte maggiore. Il costo di costruzione di SKA verrà modificato man mano che vanno avanti i lavori di progettazione e costruzione.

Chi sta costruendo SKA?

SKA è un’organizzazione internazionale attualmente formata da 11 paesi membri. La SKA Organisation supervisiona e coordina le attività connesse a SKA in tutto il mondo. Oltre 100 istituti di ricerca e le società di questi paesi membri e anche di altri paesi partner partecipano al progetto nella fase SKA1.

ska map

Dove verrà costruito SKA?

SKA1 sarà costruito in Sudafrica e in Australia, le due migliori location che sono state individuate per ospitare i radiotelescopi dopo numerosi test in tutto il mondo. In Sudafrica, il sito SKA si trova nel deserto Karoo, vicino Carnarvon nella provincia del Capo Settentrionale. In Australia, il sito SKA si trova nel deserto Murchison, una zona remota dell’Australia occidentale.

Quando verrà completato SKA vedrà un aumento massiccio in termini di antenne a bassa frequenza in Australia e di dish in Sudafrica rispetto alla fase SKA1. Otto paesi partner africani, in particolare Botswana, Ghana, Kenya, Madagascar, Mauritius, Mozambico, Namibia e Zambia, ospiteranno il 10% dei dish. Durante questa fase, un altro network di strumenti chiamato mid-frequency aperture array, attualmente in fase di sviluppo, potrebbe essere installato in Sudafrica.

Configurazione SKA LOW Australia

 Configurazione SKA1 MID Africa

Perché SKA viene costruito in località così remote?

I radiotelescopi devono essere posizionati il più lontano possibile da apparecchiature costruite dall’uomo che emettono onde radio, che possono interferire quindi con la capacità dei telescopi di rilevare i deboli segnali radio dal resto dell’Universo. Il sito su cui costruire uno o più radiotelescopi (come nel caso di SKA) deve anche essere in un ambiente con un clima piuttosto asciutto, in particolare dato che le onde radio di frequenze più alte vengono assorbite maggiormente dall’umidità nella nostra atmosfera.

Ci sono altri paesi interessati a unirsi a SKA?

La SKA Organisation accoglie eventuali nuovi partner. Diversi paesi (oltre a quelli già membri) sono stati impegnati nel progetto per molti anni e hanno espresso interesse a partecipare a quella che è considerata una delle più ambiziose avventure scientifiche del 21° secolo. Francia, Spagna, Portogallo, Giappone e Stati Uniti, solo per citarne alcuni, hanno espresso il loro interesse per il progetto.

Qaul è il contributo economico di ogni paese membro di SKA?

Il contributo economico che ciascuno dei paesi membri SKA dovrà garantire sarà stabilito nei negoziati tra i governi che si svolgeranno tra il 2015 e il 2016. Come punto di partenza per i negoziati, è stato realizzato un quadro di finanziamento basato sulla dimensione relativa delle comunità astronomiche nazionali. Il tutto è stato pensato affinché i paesi che non ospitano fisicamente i radiotelescopi ottengano un rendimento scientifico equo.

Ovviamente paesi con una più lunga tradizione astronomica investiranno di più rispetto agli altri, e i paesi che ospitano le strutture e il quartier generale contribuiranno a un livello superiore.

Quale sarà il costo di funzionamento di SKA?

Il costo operativo indicativo per progetti astronomici della portata di SKA è generalmente il 10% del costo di costruzione. La cifra esatta sarà perfezionata nei prossimi mesi, sulla base di recenti sviluppi nella progettazione del telescopio.

Quali vantaggi porterà SKA ai paesi coinvolti e al mondo in generale?

Al di là dei risultati scientifici che verranno raggiunti, SKA raccoglierà e tratterà enormi quantità di dati e stimolerà i progressi nel capo dei supercomputer e dei Big Data. Hardware e algoritmi di elaborazione sono in fase di sviluppo in molti dei paesi membri di SKA. Questo mega-progetto è quindi la piattaforma ideale per portare i giovani verso carriere scientifiche, ingegneristiche e tecnologiche, e per fornire le competenze che saranno richieste nell’economia della conoscenza globale del futuro.

Durante la costruzione di SKA nel prossimo decennio, industrie e aziende del settore otterranno contratti commerciali per la progettazione e la costruzione delle infrastrutture, dei componenti ad alta tecnologia e di tutto ciò che servirà per comporre lo Square Kilometre Array. Dopo la costruzione, le operazioni e la manutenzione del SKA si tradurranno in nuove opportunità di lavoro per tutta la durata del telescopio nei paesi ospitanti.

Il Sudafrica sta anche investendo nello sviluppo di Meerkat e di SKA attraverso il loro programma di Human Capacity Development. Circa 700 persone, che vanno da artigiani, operai a studenti universitari e ricercatori, i quali hanno già ricevuto borse di studio per lavorare nel progetto e dedicarsi a materie come matematica, ingegneria e astrofisica presso le università locali.

Progetti di mega-scienza come SKA possono dare nuovi impulsi allo sviluppo tecnologico, migliorando le capacità e l’efficienza in tutti i settori industriali ed educativi, così come generare benefici economici e sociali per la società, come:

  • l’uso di fonti energetiche sostenibili;
  • nuove tecniche di trattamento dei dati nei cloud;
  • nuove strategie e tecnologie di comunicazione per distribuire grandi pacchetti di dati in modo rapido in tutto il mondo;
  • il miglioramento della collaborazione globale e transculturale per il bene dell’umanità.

Chi otterrà contratti commerciali con SKA?

I finanziamenti saranno utilizzati principalmente dai paesi membri di SKA attraverso contratti commerciali con le industrie ed i settori dell’innovazione, che vanno dalle grandi società alle PMI. Il vantaggio ottenuto dall’industria non è solo economico, ma anche tecnologico/intellettuale dato che le aziende contribuiranno alla costruzione di uno dei progetti più importanti del mondo.

Gli appalti saranno gestiti attraverso un processo aperto, competitivo, trasparente e controllato dalla SKA Organisation. Saranno adottate misure adeguate per garantire che i paesi membri ricevano un livello di rendimento proporzionale al loro investimento.

Quali spin-off ci saranno dopo SKA?

Le tecnologie e i sistemi necessari per la costruzione di SKA richiederanno il lavoro dei più bravi ingegneri e ricercatori nel mondo, i quali si occuperanno di design e innovazione, high-performance computing, Big Data e le nuove tecniche di produzione e di costruzione.

Molti degli oggetti che usiamo quotidianamente vengono da invenzioni nell’ambito della ricerca astronomica e radioastronomica, compresa la tecnologia Wi-Fi, le fotocamere digitali e i dispositivi medici di imaging. Il GPS, utilizzato ogni giorno da milioni di persone in tutto il mondo, non funzionerebbe senza le correzioni previste dalla Teoria della Relatività di Einstein.

Il più importante degli spin-off, però, sarà la preparazione di giovani scienziati e ingegneri con competenze ed esperienza in molti settori innovativi e in un gran numero di paesi in tutto il mondo.

Per quanto tempo sarà operativo SKA?

Una volta completato, il network di radiotelescopiSKA sarà operativo per più di cinquant’anni. Questa è la durata tipica di tali strutture, ma ciò comporterà continui aggiornamenti della strumentazione, dei software e altri aggiornamenti per la manutenzione ordinaria e straordinaria. È difficile prevedere ciò che SKA sarà tra 50 anni, ma una cosa è certa: avrà trasformato la nostra conoscenza dell’Universo e sarà parte integrante della cultura dell’umanità!

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