Några av universums största mysterier skulle snart kunna lösas tack vare Square Kilometer Array (SKA), ett stort radioteleskop som kommer att byggas i Sydafrika och Australien. Flera EPFL -laboratorier är involverade i detta episka projekt.

Med Square Kilometer Array (SKA) teleskopet, forskare hoppas kunna se materia och krafter som varit osynliga tills nu. SKA är ett enormt radioteleskop som sträcker sig över två platser:en i Karooöknen i Sydafrika, och den andra i Murchison -regionen i västra Australien. Forskare från sexton länder hittills och runt 100 forskningsinstitutioner, inklusive EPFL, har gått ihop för projektet.

"Detta kommer att skapa en ny era för vårt område, säger Jean-Paul Kneib, chef för EPFL:s laboratorium för astrofysik (LASTRO). SKA kommer att ge forskare oöverträffade möjligheter att studera universum. Medan de flesta teleskop, som det berömda rymdteleskopet Hubble och det mycket stora teleskopet i Chile, använda optisk brytning och reflektion, SKA kommer att fånga radiovågor. Det kommer inte att vara det första radioteleskopet - det finns det på Arecibo i Puerto Rico, till exempel - men det kommer att vara det klart största. Det kommer att ha 3, 000 rätter och en miljon antenner, gör det möjligt att ge bilder av oöverträffad precision.

Radioastronomi är ett delfält av astronomi som syftar till att upptäcka och studera himmelska föremål som är osynliga för optiska instrument - dvs. objekt som är extremt kalla eller väldigt långt bort och inte avger mycket synligt ljus. Dessa föremål utgör det mesta som finns ute i rymden:gaser, regioner blockerade av kosmiskt damm och föremål som ligger miljarder ljusår bort. En av de viktigaste upptäckterna hittills med hjälp av radioastronomi är existensen av den kosmiska mikrovågsbakgrunden.

"Vi hoppas att SKA tar oss ända tillbaka till den tid då galaxer ännu inte fanns, säger Frédéric Courbin, en forskare vid LASTRO. Faktiskt, projektet syftar till att lösa ett av de största mysterierna inom astrofysik:varför accelererar universums expansion? SKA:s exceptionella prestanda borde bana väg för forskare att svara på den frågan genom att låta dem observera hur de första galaxerna bildades och hur väte fördelas. Väte - ett av de mest förekommande elementen i kosmos - kan inte ses med konventionella optiska teleskop utan "lyser starkt" med radiovågor.

Mycket utrymme krävs

Radioastronomi är ett mycket lovande område, men det kommer med sin rättvisa andel hinder. Till exempel, dess instrument tar enormt mycket plats. Radiosignaler är rikliga men ofta mycket svaga; radioteleskop måste ha ett extremt stort insamlingsområde för att producera bilder med bra upplösning. Ju större insamlingsområde, ju högre systemets känslighet och desto bättre bildupplösning.

Det finns två alternativ för att få en tillräckligt stor yta:att bygga massiva rätter - den största finns i Kina och har en diameter på 500 m - eller använda flera antenner placerade långt ifrån varandra. Det andra alternativet använder interferometri, vilket är en metod som, för att uttrycka sig enkelt, kombinerar de signaler som tas emot vid varje antenn. Det ger bilder med samma upplösning som kan erhållas från en enda maträtt med en diameter lika med det största avståndet mellan två av antennerna. Detta är den teknik som används i SKA, vars antenner kommer att ligga på två kontinenter och cirka 3, 000 km från varandra, vilket resulterar i en insamlingsyta på en kvadratkilometer!

Med en sådan yta, forskare kan samla en imponerande mängd data. En radio skulle behöva fungera i två miljoner år för att sända samma mängd data som SKA kan samla på en enda dag. Men att bearbeta så stora mängder information ger ytterligare en stor utmaning för projektteamet. "Vi behöver inte bara hitta rätt program för att läsa och sortera den enorma datamängden, men vi måste också utveckla specifika algoritmer för astrofysikapplikationer, säger Courbin.

Kliva in med schweiziska färdigheter

"På EPFL har vi stor erfarenhet inom detta område och kan verkligen ta med något till bordet, "tillägger Kneib. Det är därför EPFL:s signalbehandlingslaboratorium (LTS5) beslutade att gå med i projektet och hjälpa till att inrätta en forskargrupp för biomedicinsk och astronomisk signalbehandling (BASP) vid Heriot-Watt University i Edinburgh.

"SKA:s stora insamlingsområde låter den fånga extremt små, svaga signaler, "säger Yves Wiaux, som leder BASP -gruppen. "Men data vi samlar in från dess olika antenner kommer att vara mycket fragmenterade. Så vi måste utveckla ett system som inte bara kan bearbeta dessa signaler snabbt, men också sätt ihop dem. "Gruppen har kommit fram till ett tillvägagångssätt baserat på två metoder:komprimerad avkänning, som används för att konstruera signaler och bilder från ofullständiga data, och optimering, vilket gör att algoritmer kan köras parallellt - dvs. utföra beräkningar på flera servrar samtidigt.

"Sexton länder är redan involverade i projektet och det blir en stor internationell strävan. Så nu är det dags för Schweiz och dess forskare att delta, bidra med vår omfattande kompetens och kunskap - som vi gjorde när vi blev en del av European Southern Observatory (ESO) och European Space Agency (ESA), säger Kneib.