La tecnologia svizzera alla ricerca delle origini dell’Universo

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Impressione d’artista SKA di notte © 2024 SKAO
Impressione d’artista SKA di notte © 2024 SKAO
Il consorzio Square Kilometer Array Switzerland (SKACH), la cui segreteria ha sede presso l’EPFL, festeggia il suo secondo anno di partecipazione a un progetto globale per lo sviluppo della più grande struttura scientifica mai costruita dall’uomo.

Nel gennaio 2022, la Svizzera è entrata ufficialmente a far parte dello Square Kilometer Array Observatory (SKAO), un’organizzazione internazionale che sta costruendo il più grande radiotelescopio del mondo, la cui missione sarà quella di svelare alcuni dei più grandi misteri dell’Universo.

Centinaia di antenne paraboliche sono in fase di installazione in Sudafrica nella gamma delle medie frequenze e saranno operative entro la fine del decennio, mentre più di 130.000 antenne a bassa frequenza saranno installate in Australia. Questa struttura di radioastronomia di nuova generazione risalirà agli albori del cosmo, all’epoca della formazione delle primissime stelle e galassie, e cercherà di risolvere alcune delle domande scientifiche fondamentali del nostro tempo. Con una fase operativa che dovrebbe durare almeno 50 anni, sarà uno dei più importanti strumenti di fisica del XXI secolo.

Come progetto di collaborazione globale che coinvolge attualmente 16 Paesi, il consorzio svizzero SKACH riunisce 10 istituzioni accademiche svizzere che lavorano su cinque programmi principali: scienza, scienza dei dati, piattaforme e infrastrutture IT, strumentazione, educazione e sensibilizzazione del pubblico.

"Situato all’interno dell’organizzazione globale SKAO, la struttura del consorzio SKACH è unica", spiega Carolyn Crichton, direttore del consorzio SKACH. "Siamo un team multi-istituzionale e interdisciplinare e questo è uno dei motivi per cui abbiamo contribuito così tanto allo sforzo globale in un periodo di tempo relativamente breve".

La Svizzera ha stanziato oltre 33 milioni di franchi svizzeri fino al 2030 per la costruzione e il funzionamento iniziale del radiotelescopio. Raccoglierà volumi di dati senza precedenti e mobiliterà i più potenti supercomputer sul mercato per elaborarli in tempo quasi reale. I ricercatori svizzeri svolgeranno un ruolo chiave nell’elaborazione di circa 650 petabyte all’anno in campi quali la cosmologia, l’energia oscura e l’astrobiologia.

La maggior parte di questo lavoro si svolgerà presso lo SKAO Swiss Regional Centre for Data Distribution and Analysis dello Swiss National Supercomputing Center (CSCS), che fornirà un’infrastruttura integrata per l’accesso ai dati e agli strumenti di analisi per la comunità internazionale. Gli informatici del consorzio SKACH lavorano direttamente con gli astrofisici per creare simulazioni scalabili, nuove tecniche di imaging, pianificazione automatizzata, eco-informatica e capacità di calcolo ad alte prestazioni (HPC) utilizzando la ricerca sull’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico.

Gli scienziati del consorzio SKACH hanno recentemente ottenuto il maggior numero di ore nodo sul supercomputer europeo LUMI-G per effettuare una simulazione sul ruolo della turbolenza e della gravità nell’Universo. Questo esperimento di simulazione contribuisce allo sviluppo di codici di programmazione, potenziati da tecniche HPC e di apprendimento automatico, per l’elaborazione di grandi flussi di dati come quelli che saranno raccolti dallo SKAO.

"Per la Svizzera è emozionante partecipare alla più grande iniziativa globale di radioastronomia e cercare risposte ad alcuni dei più grandi misteri dell’astrofisica, tra cui il modello cosmologico, l’evoluzione delle galassie, il magnetismo cosmico e l’origine della vita", spiega Jean-Paul Kneib, professore all’EPFL e delegato scientifico svizzero al consiglio SKAO. Stiamo utilizzando array di telescopi molto più sensibili e fino a 130 volte più veloci dei migliori radiotelescopi attualmente disponibili a frequenze equivalenti".

Per conto della Segreteria di Stato per la formazione, la ricerca e l’innovazione (SEFRI), il consorzio SKACH ha già stabilito collaborazioni con partner accademici, industriali e tecnici per fornire competenze nello sviluppo di ricevitori avanzati per antenne paraboliche, sincronizzazione di precisione, automazione, elaborazione dei segnali e Big Data.

Nel 2022, l’azienda svizzera Cosylab, leader nella fornitura di sistemi di controllo per alcuni dei progetti più complessi al mondo, tra cui l’acceleratore di particelle del CERN di Ginevra, si è unita ad altri sviluppatori che lavorano al software di controllo gestionale dell’Osservatorio SKA.

Un’altra storia di successo svizzera è la consegna di orologi atomici ultramoderni prodotti dalla divisione di Neuchâtel di Safran Electronics & Defense, ex Osservatorio di Neuchâtel. Gli array di telescopi necessitano di orologi ultra-stabili chiamati maser a idrogeno. I tempi che producono sono costantemente confrontati tra loro per identificare i guasti e sono anche confrontati via satellite con l’ora UTC tenuta dall’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure.

SKAO ha acquistato quattro maser a idrogeno SAFRAN Active iM3000. Questi maser ad alte prestazioni incorporano funzionalità intelligenti e hanno una vita operativa di oltre 30 anni. Gli orologi dei maser utilizzati dal 1982 funzionano perfettamente ancora oggi.

"Siamo molto orgogliosi dei nostri orologi e della nostra collaborazione con SKAO. Più di 40 anni fa, i nostri primi clienti lavoravano nel campo della radioastronomia. Realizzare orologi per questa applicazione è uno dei nostri obiettivi principali. È bello vedere che i nostri orologi vengono utilizzati per un progetto così straordinario e che la Svizzera viene riconosciuta in un campo così tecnico e di alta precisione", afferma Gilles Cibiel-Mahiout, Product Manager, Science and Meteorology Department, Safran Electronics & Defense.

Uno sarà dislocato in Sudafrica e gli altri tre saranno spediti in Australia. Entrambi i siti avranno una sala maser dedicata.

"Dal mondo accademico a quello imprenditoriale, il consorzio SKACH fa sì che la Svizzera svolga un ruolo di primo piano in questo straordinario progetto internazionale. Grazie al consorzio, l’EPFL sta contribuendo a creare un vero e proprio centro nazionale e multidisciplinare per la ricerca spaziale. Non vedo l’ora di vedere cosa ci riserverà il prossimo decennio di questo progetto, soprattutto per i giovani scienziati, poiché la partecipazione all’Osservatorio SKA ci offre l’opportunità di accedere ai dati esclusivi dello SKA e di lavorare come parte di una collaborazione davvero globale", conclude il professor Kneib.

Come l’EPFL partecipa a questo formidabile progetto globale

Il Centro di Imaging ha lavorato allo sviluppo di un nuovo algoritmo di imaging per la radioastronomia, mentre il team interdisciplinare di radioastronomia LASTRO/SCITAS sta portando avanti un progetto di ricerca sulla cosmologia a 21 cm per sviluppare nuove tecniche di riduzione e analisi dei dati con la nuova generazione di strumenti di radioastronomia.

I ricercatori dell’EPFL fanno parte di un team di co-progettazione SKA responsabile della progettazione hardware del centro di elaborazione scientifica SKA. Questo team sta valutando le coppie software/hardware ideali per ottimizzare il throughput dei dati, ridurre il consumo energetico dei flussi di lavoro di analisi dei dati dello SKA e promuovere l’efficienza energetica.

Recentemente, i data scientist di SKACH, guidati dal Laboratorio di Astrofisica dell’EPFL (LASTRO), si sono classificati tra i primi 10 in una competizione globale di scienza dei dati in cui hanno analizzato dati astronomici simulati risalenti a miliardi di anni fa nel tempo cosmico. La competizione faceva parte di una serie di test progettati per preparare la comunità della radioastronomia a gestire i vasti insiemi di dati che saranno prodotti da SKA-Low, il telescopio situato nell’Australia occidentale, quando diventerà operativo, e a valutare i modi più efficienti per elaborarli.

Fanno parte del consorzio SKACH le seguenti istituzioni

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).
Istituto Internazionale di Scienze Spaziali (ISSI) (issibern.ch) (ISSI Bern)