Hur är materia fördelad i vårt universum? Och vad består det mystiska ämnet som kallas mörk energi av? HIRAX, en ny stor teleskoparray som består av hundratals små radioteleskop, borde ge några svar. Bland dem som är avgörande för att utveckla systemet finns fysiker från ETH Zürich.

"Det är ett spännande projekt, säger Alexandre Refregier, Professor i fysik vid ETH Zürich, som han betraktar den futuristiskt utseende visualiseringen från Sydafrika. Bilden visar en scen mitt i Karoo halvöknen, långt borta från större bosättningar, med rader efter rader med fler än 1, 000 paraboliska reflektorer alla riktade mot samma punkt. Vid första ögonkastet, man kan anta att detta är ett solkraftverk, men det är faktiskt ett stort radioteleskop som under de kommande åren borde ge kosmologer nya insikter om vårt universums sammansättning och historia.

Nyckelelement:väte

HIRAX står för "Hydrogen Intensity and Real-time Analysis eXperiment" och markerar starten på ett nytt kapitel i utforskningen av universum. Det nya stora teleskopet kommer att samla in radiosignaler inom ett frekvensområde på 400 till 800 MHz. Dessa signaler kommer att göra det möjligt att mäta fördelningen av väte i universum i stor skala. "Om vi ​​kan använda väte, det vanligaste elementet i universum, att upptäcka hur materia är fördelad i rymden, vi kan sedan dra slutsatser om vad mörk materia och mörk energi består av, " förklarar Refregier.

Mörk energi och mörk materia är två mystiska komponenter som tillsammans utgör den stora majoriteten av universum. De spelar en stor roll i bildandet av strukturer och i universums accelererade expansion. Men experter är fortfarande förbryllade över exakt vad mörk energi och mörk materia består av. HIRAX bör hjälpa dig in i den exakta karaktären hos dessa två komponenter. Forskarna hoppas också att det nya systemet ska ge insikter om snabba radioskurar och pulsarer.

Kombinera hundratals individuella signaler

Inte bara kommer Refregier och hans team att vara involverade i den vetenskapliga analysen av data, professorn hjälper också till att utveckla det nya systemet tillsammans med sin postdoc Davin Crinchton och ingenjören Thierry Viant. "HIRAX är ett anmärkningsvärt företag, inte bara ur vetenskaplig synvinkel, men också för att det representerar en betydande teknisk utmaning, " säger Refregier. Som en del av deras delprojekt i samarbete med forskare från universitetet i Genève, ETH-forskarna utvecklar vad som kallas en digital korrelator, som kommer att kombinera signalerna som registreras av vart och ett av de cirka sex meter långa teleskopen. "Istället för att bestå av ett enda stort teleskop, HIRAX-arrayen består av många mindre radioteleskop som är korrelerade med varandra, ", säger Refregier. "Detta gör det möjligt för oss att bygga ett teleskop med en uppsamlingsyta och upplösning som är mycket större än en mätanordning med bara en parabolisk reflektor."

Testad i Schweiz

Fysikerna testade först tekniken för den digitala korrigeraren i Schweiz med hjälp av ett pilotsystem. Att göra så, de använde de två historiska radioteleskopen inhysta vid Bleien-anläggningen i den schweiziska kantonen Aargau. De kommer nu att använda resultaten av dessa tester för att utveckla en digital korrigerare som kan länka samman 256 reflektorer. "HIRAX-teleskopet sätts upp i etapper, som gör att vi kan utveckla och förfina den teknik vi behöver allt eftersom, " säger Refregier. Den finansiering som krävs för detta delprojekt säkrades nyligen.

För deras digitala korrelator, ETH Zürichs fysiker använder högpresterande grafikprocessorer som ursprungligen utvecklades för video- och spelapplikationer. Forskarna bryter också ny mark när det kommer till kalibrering. För att synkronisera mätsignalerna som tas emot av de individuella antennerna, de använder en radiosignal som sänds av en drönare. Det är avgörande att fastställa positionen för dessa signaler så att teleskopet sedan kan ge den precision som krävs.

Ett idealiskt läge

Det är ingen tillfällighet att HIRAX-teleskopet installeras i Karoo-halvöknen. Som ett skyddat område, den är fortfarande i stort sett fri från störande signaler från mobilkommunikationsantenner. "Det är faktiskt ganska ironiskt, " säger Refregier. "Å ena sidan, mobil kommunikationsteknik är en enorm hjälp för att utveckla teleskop. På den andra, samma teknik gör livet svårt för radioastronomer eftersom mobilkommunikationsantenner sänder inom liknande frekvensområden.

En annan anledning till att Karoo-regionen är ett idealiskt läge är att det också är här som en del av den planerade Square Kilometer Array kommer att uppföras. När det är klart, detta kommer att bli världens största radioteleskop, förbinder system i Sydafrika och Australien och representerar ännu ett stort steg framåt inom radioastronomi. "Trots sin avlägsna position, Karoo-platsen är väl ansluten med kraft- och dataledningar, " säger Refregier. I detta avseende, Uppdraget innebär en utmaning eftersom det nya teleskopet kommer att generera 6,5 ​​terabyte data varje sekund. "Det är därför vi kommer att installera den digitala korrigeraren direkt på plats, så att mängden data först kan minskas innan den skickas någon annanstans för vidare bearbetning, " säger Refregier.

Öppnar dörren för nästa storskaliga projekt

Ett samarbete mellan många andra universitet från olika länder, HIRAX-projektet är också viktigt med hänsyn till forskningspolitiken. Först, det stärker samarbetet mellan Sydafrika och Schweiz, gör det möjligt för unga forskare från de förra att forska i de senare. Andra, Refregier säger att han är tacksam för att arbetet vi gör med utvecklingen av HIRAX öppnar dörren för Schweiz deltagande i Square Kilometer Array:"Detta betyder att vi kan göra vår del för att säkerställa att schweiziska universitet är involverade i detta banbrytande projekt och kan hålla jämna steg med den senaste utvecklingen inom radioastronomi."