Im Januar 2022 trat die Schweiz offiziell dem Square Kilometer Array Observatory (SKAO) bei, einer internationalen Organisation, die das größte Radioteleskop der Welt baut, dessen Aufgabe es sein wird, einige der größten Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln.
In Südafrika werden derzeit Hunderte von Parabolantennen im Mittelfrequenzbereich installiert, die bis zum Ende des Jahrzehnts betriebsbereit sein werden, während in Australien über 130 000 Antennen im Niederfrequenzbereich errichtet werden. Diese Radioastronomieanlage der nächsten Generation wird bis in die kosmische Morgendämmerung zurückgehen, in die Zeit der Entstehung der allerersten Sterne und Galaxien, und versuchen, einige der grundlegenden wissenschaftlichen Fragen unserer Zeit zu lösen. Mit einer Betriebsphase, die voraussichtlich mindestens 50 Jahre dauern wird, wird sie eines der wichtigsten physikalischen Instrumente des 21.
Das Schweizer SKACH-Konsortium ist ein globales Kooperationsprojekt, an dem derzeit 16 Länder beteiligt sind. Es umfasst 10 Schweizer Hochschulen, die an fünf Hauptprogrammen arbeiten: Wissenschaft, Datenwissenschaft, IT-Plattformen und Infrastruktur, Instrumentierung sowie Bildung und Öffentliches Bewusstsein.
"Angesiedelt innerhalb der globalen Organisation SKAO, ist die Struktur des SKACH-Konsortiums einzigartig", erklärt Carolyn Crichton, Leiterin des SKACH-Konsortiums. "Wir sind ein multiinstitutionelles und interdisziplinäres Team und das ist zum Teil der Grund, warum wir in relativ kurzer Zeit so viel zu den weltweiten Bemühungen beigetragen haben."
Die Schweiz hat sich mit über 33 Millionen Schweizer Franken bis 2030 für den Bau und den anfänglichen Betrieb des Radioteleskops verpflichtet. Das Radioteleskop wird beispiellose Datenmengen sammeln und die leistungsfähigsten Supercomputer auf dem Markt mobilisieren, um diese Daten nahezu in Echtzeit zu verarbeiten. Schweizer Forscherinnen und Forscher werden eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung von jährlich rund 650 Petabyte in Bereichen wie Kosmologie, Dunkle Energie und Astrobiologie spielen.
Der Großteil dieser Aufgabe wird im SKAO Swiss Regional Centre for Data Distribution and Analysis des Swiss National Supercomputing Center (CSCS) durchgeführt, das eine integrierte Infrastruktur bereitstellen wird, die der internationalen Gemeinschaft den Zugang zu Daten und Analysewerkzeugen ermöglicht. Die Informatikerinnen und Informatiker des SKACH-Konsortiums arbeiten direkt mit Astrophysikerinnen und Astrophysikern zusammen, um skalierbare Simulationen, neue Bildgebungstechniken, automatisierte Planung, Eco-Computing-Fähigkeiten und Hochleistungsrechnen (HPC) zu schaffen, indem sie die Forschung im Bereich der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens nutzen.
Tatsächlich haben die Wissenschaftler des SKACH-Konsortiums kürzlich die meisten Knotenstunden auf dem europäischen Supercomputer LUMI-G erhalten, um eine Simulation über die Rolle von Turbulenzen und Schwerkraft im Universum durchzuführen. Dieses Simulationsexperiment trägt zur Entwicklung von Programmiercodes bei, die durch HPC-Techniken und maschinelles Lernen verbessert wurden, um große Datenströme, wie sie von SKAO gesammelt werden, zu verarbeiten.
"Für die Schweiz ist es spannend, an der bislang größten globalen Radioastronomie-Initiative teilzunehmen und nach Antworten auf einige der größten Geheimnisse der Astrophysik zu suchen, darunter das kosmologische Modell, die Entwicklung von Galaxien, der kosmische Magnetismus und der Ursprung des Lebens", erklärt Jean-Paul Kneib, Professor an der EPFL und Schweizer Wissenschaftsdelegierter im SKAO-Rat. Wir verwenden Netzwerke von Teleskopen, die viel empfindlicher und bis zu 130 Mal schneller sind als die besten aktuellen Radioteleskope bei äquivalenten Frequenzen."
Im Auftrag des Staatssekretariats für Bildung, Forschung und Innovation (SEFRI) hat das SKACH-Konsortium bereits Partnerschaften mit akademischen, industriellen und technischen Partnern aufgebaut, um Fachwissen bei der Entwicklung von hochmodernen Empfängern für Parabolantennen, Präzisionssynchronisation, Automatisierung, Signalverarbeitung und Big Data bereitzustellen.
Im Jahr 2022 schloss sich das Schweizer Unternehmen Cosylab, ein führender Anbieter von Steuerungssystemen für einige der komplexesten Projekte der Welt, darunter der Teilchenbeschleuniger des CERN in Genf, anderen Entwicklern an, die an der Controlling-Software für das SKA-Observatorium arbeiteten.
Eine weitere Schweizer Erfolgsgeschichte ist die Lieferung hochmoderner Atomuhren, die von der Neuenburger Abteilung von Safran Electronics & Defense, dem ehemaligen Observatorium von Neuenburg, hergestellt wurden. Teleskopnetzwerke benötigen ultrastabile Uhren, die als Wasserstoffmaser bezeichnet werden. Die Zeiten, die diese produzieren, werden ständig miteinander verglichen, um Ausfälle zu erkennen, und auch per Satellit mit der UTC-Zeit verglichen, die vom Internationalen Büro für Maße und Gewichte aufbewahrt wird.
Das SKAO hat vier SAFRAN Active iM3000 Wasserstoff-Maser erworben. Diese Hochleistungs-Maser beinhalten intelligente Funktionen und haben eine Betriebslebensdauer von über 30 Jahren. Die seit 1982 eingesetzten Maser-Uhren funktionieren auch heute noch einwandfrei.
"Wir sind sehr stolz auf unsere Uhren und auf unsere Partnerschaft mit dem SKAO. Vor über 40 Jahren arbeiteten unsere ersten Kunden im Bereich der Radioastronomie. Die Herstellung von Uhren für diese Anwendung ist eines unserer Hauptziele. Es ist toll zu sehen, dass unsere Uhren für ein so aussergewöhnliches Projekt eingesetzt werden und dass die Schweiz in einem so technischen und hochpräzisen Bereich anerkannt ist", sagt Gilles Cibiel-Mahiout, Produktmanager, Abteilung Wissenschaft und Meteorologie bei Safran Electronics & Defense.
Einer von ihnen wird in Südafrika eingesetzt und die anderen drei werden nach Australien verschifft. Beide Standorte werden über einen eigenen Raum für Maser verfügen.
"Von der akademischen Welt bis zur Geschäftswelt: Das SKACH-Konsortium sorgt dafür, dass die Schweiz in diesem aussergewöhnlichen internationalen Projekt eine führende Rolle spielt. Dank ihm trägt die EPFL dazu bei, ein echtes nationales und multidisziplinäres Zentrum für die Weltraumforschung zu schaffen. Ich bin gespannt, was die nächsten zehn Jahre dieses Projekts bringen werden, insbesondere für junge Wissenschaftler, denn die Teilnahme am SKA-Observatorium bietet uns die Möglichkeit, Zugang zu den exklusiven SKA-Daten zu erhalten und im Rahmen einer echten globalen Zusammenarbeit zu arbeiten", schliesst Professor Kneib.
Wie die EPFL an diesem großartigen globalen Projekt teilnimmt.
Das Imaging Center hat an der Entwicklung eines neuen Bildgebungsalgorithmus für die Radioastronomie gearbeitet, während das interdisziplinäre Radioastronomieteam LASTRO/SCITAS ein Forschungsprojekt zur 21-cm-Kosmologie durchführt, um neue Techniken zur Datenreduktion und -analyse mit der neuen Generation von Radioastronomieinstrumenten zu entwickeln.Die Forscherinnen und Forscher der EPFL sind Teil eines SKA-Co-Design-Teams, das für das Hardware-Design des wissenschaftlichen Rechenzentrums SKA zuständig ist. Dieses Team bewertet die idealen Software/Hardware-Paare, um den Datendurchsatz zu optimieren, den Energieverbrauch der Datenanalyse-Workflows des SKA zu senken und die Energieeffizienz zu fördern.
Vor kurzem haben SKACH-Datenwissenschaftler unter der Leitung des Labors für Astrophysik (LASTRO) der EPFL bei einem weltweiten Wettbewerb für Datenwissenschaft, bei dem sie simulierte astronomische Daten analysierten, die Milliarden von Jahren durch die kosmische Zeit zurückreichen, einen Platz unter den Top 10 belegt. Der Wettbewerb war Teil einer Reihe von Tests, mit denen die Radioastronomiegemeinschaft auf die Verarbeitung der riesigen Datensätze vorbereitet werden soll, die das SKA-Low - das Teleskop im Westen Australiens - produzieren wird, wenn es in Betrieb geht, sowie auf die Bewertung der effizientesten Möglichkeiten, diese Daten zu verarbeiten.
Die folgenden Einrichtungen sind Teil des SKACH-Konsortiums
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ), Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), Universität Zürich (UZH), Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), Universität Basel (UniBas), Université de Genève (UniGE), Haute École spécialisée de Suisse Occidentale (HES-SO), Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS).International Institute of Spatial Sciences (ISSI) (issibern.ch) ( ISSI Bern)
