Square Kilometre Array, il contributo dell’Italia

Lo Square Kilometre Array (SKA) è un progetto avveniristico sul profilo scientifico e ingegneristico che si affida al lavoro dei professionisti più brillanti del pianeta

Lo Square Kilometre Array (SKA) è un progetto avveniristico sul profilo scientifico e ingegneristico che si affida al lavoro dei professionisti più brillanti del pianeta per la costruzione del più grande radiotelescopio del mondo. Quando sarà completato, SKA sarà un network caratterizzato da un 1 km quadrato di area di raccolta, un grande campo di vista, un’estensione di alcune migliaia di km, e tecnologie innovative per ricevitori, calcolo dei dati e trasporto ed elaborazione del segnale.
SKA rivoluzionerà la nostra conoscenza dell’Universo e sarà un telescopio unico in termini di sensibilità, risoluzione angolare e versatilità. Pensato e disegnato per rispondere a domande basilari quali l’origine dell’Universo e l’origine della vita, e per studiare questioni di Fisica fondamentale quali la Relatività Generale e le Onde Gravitazionali, SKA, proprio grazie alla sua unicità, contribuirà in modo eccezionale alla nostra conoscenza dell’Universo con tutta una serie di scoperte che al momento possiamo solo in parte immaginare.
Al progetto partecipano circa 100 organizzazioni (enti di ricerca, università) sparse in 20 paesi in tutti i continenti. Il nuovo quartier generale della SKA Organisation si trova a Manchester nei pressi dell’osservatorio Jodrell Bank (Regno Unito) e coordina le 12 nazioni che supportano l’organizzazione: Australia, Canada, Cina, Francia, India, Italia, Nuova Zelanda, Olanda, Regno Unito, Spagna, Sudafrica e Svezia.
Verso lo SKA Observatory: cos’è la Convenzione IGO?
Dopo oltre tre anni e quattro cicli di negoziati a Roma, le nazioni che partecipano al progetto SKA sono pronte per la firma del trattato internazionale che istituisce l’Osservatorio SKA, un’organizzazione di diritto internazionale che dovrà gestire la costruzione e l’operatività del progetto SKA, nonché la seconda organizzazione intergovernativa al mondo dedicata all’astronomia nel mondo (dopo l’ESO). Il testo del trattato internazionale (Convenzione) che istituisce l’Osservatorio SKA è stato concordato da tutte le parti e viene firmato inizialmente da 7 nazioni (Australia, Italia, Olanda, Portogallo, Regno Unito, Cina e Sudafrica). L’India e la Svezia, che hanno anche preso parte ai negoziati multilaterali, avranno un anno per firmare il trattato. Insieme, questi nove paesi formeranno i membri fondatori della nuova organizzazione, che entrerà in vigore quando almeno cinque paesi, compresi i tre paesi host (Australia, Sudafrica e Regno Unito), avranno ratificato il trattato attraverso le rispettive legislature.
Tradizione italiana nella radioastronomia
L’Italia, tramite l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), è una delle prime nazioni che ha preso parte al progetto per la costruzione dello Square Kilometre Array ed è uno dei Paesi che ha aderito alla fondazione della Ska Organisation. L’Italia ha una lunga tradizione nel campo della radioastronomia e vanta una ricca collezione di antenne all’interno dei confini nazionali: il radiotelescopio “Croce del Nord” di Medicina (Bologna); i radiotelescopi “V.L.B.I.” di Noto (Siracusa) e di Medicina; il radiotelescopio “S.R.T – Sardinia Radio Telescope” di San Basilio (Cagliari).
L’Italia, sotto la guida dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, contribuirà a rispondere ai 5 quesiti scientifici fondamentali del progetto SKA: evoluzione delle galassie, cosmologia e energia oscura, test su forti campi gravitazionali utilizzando pulsar e buchi neri, l’origine e l’evoluzione del magnetismo cosmico, lo studio dell’alba galattica, l’origine della vita.
L’INAF è, inoltre, uno dei pochi enti al mondo che possiede al suo interno le risorse intellettuali e strumentali per osservare l’Universo a tutte le lunghezze d’onda, da terra e dallo spazio, coprendo l’intero dello spettro elettromagnetico (dai raggi gamma alle onde radio). E proprio grazie alla leadership dell’INAF, tutta la comunità scientifica italiana godrà negli anni a venire di un coinvolgimento trasversale nel progetto SKA.
Dove?
La SKA Organisation ha scelto due siti per la costruzione del radiotelescopio: la regione desertica di Karoo in Sudafrica e la regione di Murchison in Australia Occidentale. Si tratta di due luoghi selezionati per diverse ragioni scientifiche e tecniche: silenzio radio (in queste zone tutti gli apparecchi che possono creare interferenze radio, come telefoni cellulari, tv e radio sono proibiti); le particolari caratteristiche della ionosfera (la parte superiore dell’atmosfera terrestre) e della troposfera (la parte più bassa dell’atmosfera terrestre); clima e temperatura.
Il progetto
SKA conterà diverse migliaia di antenne e radiotelescopi che permetteranno agli astronomi di monitorare il cielo con dettagli senza precedenti, migliaia di volte più velocemente rispetto ad altri sistemi già esistenti. SKA sarà un network unico nel suo genere: le antenne a media e bassa frequenza avranno la capacità di mappare vaste aree di cielo in parallelo, una prodezza che nessun telescopio ha mai raggiunto su questa scala e con questo livello di sensibilità.
Nello specifico, in Australia Occidentale opereranno antenne fra 50 e 350 MHz (bassa frequenza). SKA1-Low conterà 130 mila antenne del consorzio Low Frequency Aperture Array (LFAA) disegnate per “raccogliere” i segnali a bassa frequenza provenienti dal cosmo. In Australia sono operanti anche le parabole dell’Australian Ska Pathfinder (ASKAP), uno strumento formato da 36 parabole, e quelle del Murchison Widefield Array (MWA), composto da 2048 unità in funzione dal 2013.
Le antenne a parabola formeranno, invece, lo strumento SKA1-Mid, braccio sudafricano della prima fase del telescopio SKA: 133 antenne dal diametro di 15 metri, a cui vanno aggiunti le 64 parabole del telescopio MeerKAT già installati nella regione desertica di Karoo. Le antenne SKA in Africa offriranno una copertura continua da 350 MHz a 14 GHz (frequenze medie).
Il coinvolgimento tecnologico
SKA rappresenta un progetto di frontiera anche dal punto di vista dell’innovazione tecnologica. Solo per fare un esempio, nella prima fase di sviluppo trasmetterà ogni secondo, al computer di elaborazione centrale, l’equivalente di 3 TB di dati: big data e high performance computing all’ennesima potenza, dunque.
L’intero programma di sviluppo del progetto SKA prevede 12 asset tecnologici principali e l’Istituto Nazionale di Astrofisica, per l’Italia, è attore di rilievo in 5 di questi, con significative ricadute per il tessuto industriale più all’avanguardia del Paese. L’INAF, in particolare, si occupa della progettazione e costruzione delle antenne a parabola a media frequenza in Sudafrica e anche della progettazione e costruzione delle antenne a bassa frequenza in Australia. L’INAF è coinvolto anche nel team di Central Signal Processor e nello sviluppo del software di Telescope Manager. L’Italia fa parte anche del programma di sviluppo di strumentazione avanzata sui PAF.
Altri coinvolgimenti nazionali
La Società Aerospaziale Mediterranea (Sam) ha lavorato alla progettazione e produzione del feed indexer, un componente elettromeccanico che sosterrà i vari ricevitori e li sposterà per allinearli con l’ottica della parabola quando richiesto dagli scienziati, a seconda delle osservazioni. La SAM è uno dei membri del Consorzio DISH, che si occupa di tutte le attività di design e verification della struttura delle antenne a riflettore, delle ottiche, dei ricevitori e di tutti i sistemi di supporto sia per SKA-Mid che per SKA-Survey. Nello stesso consorzio è coinvolto anche l’European Industrial Engineering (Eie) Group, leader internazionale nella realizzazione di telescopi: l’azienda è coinvolta nei pacchetti di lavoro Dish management and Dish structure design, Local Monitor and Control.
Tantissime altre realtà industriali italiane hanno collaborato fornendo supporto alla produzione per i diversi gruppi di lavoro INAF.
Le date da ricordare
La storia di SKA ha inizio nel 1991, ma il gruppo internazionale di lavoro è stato fondato solo due anni dopo, nel 1993. La firma del primo Memorandum of Agreement risale al 2000, quando entra in gioco anche l’Italia. Il lavoro di ideazione del progetto è stato portato avanti fino al 2006, quando è stata stilata la lista dei potenziali siti dove posizionare le antenne e i radiotelescopi. All’inizio del 2008 ha avuto inizio la fase PrepSKA.
Durante il meeting a Roma (proprio presso Villa Mellini in Roma, sede centrale dell’INAF) il 30 marzo 2011 è stata sottoscritta la lettera d’intenti che ha portato poi alla fondazione della SKA Organisation, il 23 novembre 2011. In quella occasione l’Italia e l’INAF hanno dimostrato il ruolo di leadership che fin dai primi momenti ha animato la partecipazione a SKA.
Nel 2012 sono stati scelti i siti per la costruzione del radiotelescopio e per tutto il 2013 sono state valutate le richieste e le proposte dei diversi paesi e sono stati valutati i costi. Il 23 dicembre 2014 è arrivata l’approvazione da parte del Parlamento Italiano di un’apposita linea nel Bilancio dello Stato per finanziare la partecipazione dell’Italia nello Square Kilometre Array.
La Fase 1 della costruzione è partita nel 2018 e si concluderà nel 2023, fornendo un array operativo di telescopi in grado di effettuare le prime ricerche scientifiche in frequenze basse e medie. Questa fase, SKA1, prevede il posizionamento del 10% degli array, il che include due strumenti: le parabole in Africa e le antenne a bassa frequenza in Australia. Poi seguirà la fase SKA2 e il posizionamento dei dish ad alta frequenza che potranno quindi arrivare fino a 20 gigahertz. Durante la fase 2 gli strumenti esistenti verranno migliorati e implementati con un numero elevato di antenne. In questa fase tutti i radiotelescopi potranno iniziare a fare ricerca e a produrre risultati di rilevanza scientifica.
Lo sapevi che?
Per ascoltare su un iPod i dati raccolti da SKA in un singolo giorno, ci vorrebbero due milioni anni.
SKA avrà una sensibilità tale da rilevare i segnali radar di un ipotetico aeroporto posto su un pianeta a decine di anni luce di distanza.
Il computer centrale di SKA avrà la potenza di calcolo equivalente a quella di centinaia di milioni di pc domestici.
I dati generati dalle antenne paraboliche di SKA saranno pari a 10 volte il traffico mondiale di internet.
I dati generati dalle antenne paraboliche di SKA saranno pari a 10 volte il traffico mondiale di internet.
Le antenne ad aperture di SKA genereranno dati pari a 100 volte il traffico internet mondiale.
IMMAGINI – ska_night_highres: Rappresentazione artistica dello Square Kilometre Array con tutti e quattro gli elementi. Le antenne a bassa frequenza (in basso a destra) e le antenne del precursore ASKAP (in basso a destra) si trovano in Australia occidentale. Le parabole a media frequenza (dietro a sinistra) e la parabola del precursore MeerKAT (sullo sfondo a sinistra) sono in Sudafrica, con alcune stazioni remote in altri paesi partner africani. Crediti: SKA Organisation
Foto di gruppo

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