La ricerca astronomica si prepara a una svolta epocale grazie all’introduzione di tecnologie sempre più avanzate che aprono nuov frontiere nella comprensione dell’Universo. Tra queste, il progetto Square Kilometer Array (SKA) si distingue come una delle iniziative più ambiziose del prossimo decennio, promettendo di rivoluzionare la radioastronomia con una sensibilità e una precisione senza precedenti. Distribuito tra Sudafrica e Australia, SKA permetterà di esplorare con dettaglio fenomeni cosmici complessi, dall’origine delle prime galassie fino alla possibile rilevazione di segnali di vita extraterrestre. Il testo che segue approfondisce la struttura, gli obiettivi scientifici e il significativo contributo italiano a questo straordinario progetto.
Indice dei contenuti
Introduzione
Il prossimo decennio sarà sicuramente un periodo di rivoluzioni nella comprensione dell’Universo, grazie ad una nuova generazione di strumenti osservativi che operano in diverse frequenze. Ha inaugurato il nuovo corso il James Webb Space Telescope, che in un anno di osservazioni ci ha mostrato per esempio come l’Universo primordiale non sia popolato da galassie irregolari come si ipotizzava, ma da più placide galassie a disco. O ancora ci sta permettendo di studiare con dettagli impressionanti le atmosfere dei pianeti extrasolari. Ci proponiamo di capire il mistero della materia e dell’energia oscura con il telescopio Euclid, una missione che vanta una numerosa partecipazione italiana. L’Extremely Large Telescope, che con i suoi 39m di specchio principale sarà il più grande telescopio ottico terrestre, entrerà presumibilmente in funzione entro il 2028, permettendoci per esempio di studiare in dettaglio la complessità chimica dei sistemi protoplanetari. E allargando l’orizzonte all’astrofisica multimessaggera, nei prossimi due anni si arriverà alla decisione definitiva sul design tecnico e sulla posizione geografica del nuovissimo interferometro di terza generazione per le onde gravitazionali, l’Einstein Telescope, che vede la forte candidatura dell’Italia con il sito sardo di SosEnattos.
E sul fronte della radio astronomia? Il futuro si chiama SKA, acronimo di Square Kilometer Array, un progetto ambizioso di una vasta schiera di antenne radio e antenne suddivisi tra due continenti, l’Africa e l’Australia. Un progetto che, una volta completato, presumibilmente entro il 2028-29, rivoluzionerà il nostro modo di osservare l’Universo, con la sua gamma senza precedenti di applicazioni scientifiche, dalla cosmologia all’astrobiologia alla scienza dei dati.
Cos’è SKA?
Dopo oltre 30 anni di ideazione, progettazione e test, il progetto Square Kilometer Array (SKA) sta per diventare una realtà. SI tratta di una struttura radio interferometrica di ultima generazione che promette di rivoluzionare la nostra conoscenza dell’Universo e delle leggi fondamentali della fisica. In breve, il progetto SKA prevede la costruzione di un sistema interferometrico costituito da 197 grandi antenne paraboliche orientabili che opereranno a media frequenza (SKA-Mid, operante tra 350 MHz e 15.4 GHz) e da 131.072 antenne log periodiche a bassa frequenza (SKA-Low, operante nell’intervallo di frequenze 50-350 MHz).
Il nome SKA deriva dal progetto originale, che prevedeva che tutte le sue antenne e parabole avessero un’area effettiva combinata di circa un chilometro quadrato. Il piano è stato in seguito ridimensionato a causa dei costi, anche se rimane la speranza di completarlo nella sua configurazione originale in una seconda fase.
L’area di raccolta rappresenta una componente fondamentale per capire le capacità osservative di SKA: se infatti la linea di base dell’array ne determina il potere risolutivo, cioè la capacità di apprezzare il più piccolo dettaglio della sorgente cosmica osservata, l’area di raccolta ne determina invece la sensibilità, con la conseguente possibilità di rilevare oggetti più deboli. Ci aspettiamo infatti di produrre immagini con una sensibilità 10-100 volte superiore a quella delle attuali infrastrutture radio, e di rilevare oggetti molto più deboli e lontani di quanto possano essere visti dai telescopi esistenti.
La sede principale del progetto si trova presso l’Osservatorio Jodrell Bank nel Cheshire, nel Regno Unito, anche se fisicamente è posizionato nell’emisfero australe, così da osservare la Via Lattea nella sua interezza, e ugualmente accedere allo spazio intergalattico. Nell’emisfero boreale come è noto, il nucleo della nostra galassia sfiora a malapena l’orizzonte durante i mesi estivi.
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Responsabile della costruzione e della gestione di SKA è l’Osservatorio SKA (SKAO), una organizzazione intergovernativa con sede nel Regno Unito, presso l’Osservatorio Jodrell Bank, nel Cheshire, nel Regno Unito. La costituzione dello SKAO è il risultato del lavoro, iniziato più di venti anni fa, di oltre 500 ingegneri e 1000 scienziati, provenienti da 20 paesi del mondo, che hanno progettato tutti gli elementi dello strumento e ne hanno definito le priorità scientifiche. L’Italia, attraverso l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), è uno dei maggiori attori del progetto SKA: è tra i cinque Paesi fondatori dell’Osservatorio SKA ed ha partecipato, in prima linea, al disegno dello strumento e alla definizione dei casi scientifici.
L’ambiziosa struttura di SKA: SKA-Mid e Ska-Low
I telescopi SKA rappresentano un punto di svolta per la radioastronomia: due imponenti strutture radioastronomiche complementari posizionate in due continenti, operanti in due diversi intervalli di frequenza, che rivoluzioneranno la nostra comprensione dell’Universo e delle leggi della fisica fondamentale: SKA-Mid e Ska-Low
Le parabole di grandi dimensioni di SKA-Mid saranno situate in una regione del Sud Africa chiamata Karoo e poste a varie distanze tra di loro. La distanza maggiore tra due parabole, quella che tecnicamente viene definita la “linea di base” del sistema, è attualmente di circa 150 km, ma si pensa in futuro di poterla estendere costruendo parabole più remote nei paesi vicini, tra cui Botswana, Ghana, Kenya, Madagascar, Mauritius, Mozambico, Namibia e Zambia. Aumentando la linea di base, infatti, si aumenterà il potere risolutivo di SKA-Mid, un fattore cruciale per poter osservare i dettagli più fini negli oggetti cosmici radio emittenti. Il radiotelescopio MeerKAT, esistente e perfettamente funzionante, farà parte dell’array: le sue parabole da 13,5 metri di diametro si uniranno alle parabole SKA (leggermente più grandi, da 15 metri di diametro), tutte integrate in un unico sistema.
Le 131.072 piccole antenne operanti a bassa frequenza del progetto SKA-Low sono invece posizionate in Australia Occidentale. Si tratta di una “foresta d’acciaio” di strutture metalliche alte due metri (6,6 piedi), simili ad alberi di Natale, divise in 512 stazioni di 256 antenne ciascuna, situate a InyarrimanhaIlgari Bundara, nella terra degli indigeni Wajarri Yamaji.
Ska-Low è un vero e proprio “telescopio elettronico”: a differenza delle parabole che compongono lo SKA-Mid, le antenne log periodiche dello SKA-Low, non si possono orientare fisicamente, ma sono fisse. Per combinare insieme i segnali ricevuti dalle singole antenne (una parte o la totalità) viene usata una tecnica nota come beam forming la quale combina elementi di una schiera di antenne in fase in modo tale che in particolari direzioni i segnali interferiscano costruttivamente mentre in altre direzioni l’interferenza sia distruttiva. In pratica, vengono acquisiti tutti i segnali dalle antenne, digitalizzati, e tramite sistemi dedicati si riesce a far sì che si comportino come “occhi elettronici” in grado di puntare in ogni direzione del cielo. In questo modo, il beam forming conferisce al radiotelescopio un enorme campo di vista.
Lo SKA sta attraversando una fase di sviluppo graduale iniziato ufficialmente nel 2013 e svolto nell’arco di sette anni, coprendo la progettazione ingegneristica e il lavoro di governance necessari per portare lo SKA sino alla costruzione. Al momento sono attivi dei cosiddetti progetti precursori di SKA: il progetto MeerKAT (originariamente chiamato Karoo Radio Telescope) e l’Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), entrambi in Sudafrica, e l’Australian SKA Pathfinder (ASKAP) e il Murchison Widefield Array (MWA), entrambi nell’Australia occidentale.
Il primo importante traguardo per SKA dovrebbe arrivare nel 2024, quando quattro parabole in Australia e sei stazioni di antenne in Sud Africa funzioneranno sincronizzate, come un telescopio di base. Si tratta di un importantissimo test per attivare il roll-out completo dell’array di radiotelescopi. Entro il 2028, lo SKA avrà un’area di raccolta effettiva di poco meno di 500.000 metri quadrati. Ma l’assetto è tale da poter continuare a crescere, fino all’inizialmente previsto chilometro quadrato.
Il sistema funzionerà su una gamma di frequenze da circa 50 Megahertz a 25 Gigahertz (o, in termini di lunghezza d’onda, nell’intervallo da centimetri a metri). Una simile caratteristica tecnica, insieme all’immensa aria di raccolta, dovrebbe consentire al telescopio di rilevare segnali radio molto deboli provenienti da sorgenti cosmiche a miliardi di anni luce dalla Terra, compresi quei segnali emessi nelle prime centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang.
Una volta pienamente operativo, Ska produrrà una mole di dati mai vista, che richiederà un grande sforzo computazionale e anche una revisione del modo in cui gestiamo i dati. Saranno indispensabili infatti non solo reti di supercomputer ma anche una tecnologia di rete che vedrà il flusso di dati a una velocità 100.000 volte più veloce della banda larga media globale.
Le sfide tecnologiche legate al trattamento dei dati astrofisici prodotti da SKA riguardano la gestione delle grandi survey e la loro analisi (un’analisi fortemente condizionata anche dalla loro visualizzazione), la generazione di mappe su larga scala, e l’individuazione automatica di sorgenti compatte, estese e strutture filamentari. Trattamento e analisi che richiederanno un uso massiccio di tecniche di deep learning.
La scienza di SKA
Gli obiettivi scientifici di SKA sono molto ambiziosi e spaziano su diversi settori astrofisici, dall’alba cosmica alla formazione delle primissime stelle e galassie, dalla comprensione del magnetismo cosmico alla formazione della vita nell’Universo, dai test della relatività generale di Einstein in fenomeni fisici estremi come nei buchi neri supermassicci (e la conseguente formazione di onde gravitazionali) allo studio di fenomeni transienti come i fast radio bursts (FRBs), passando per l’epoca della reionizzazione. La comunità si è strutturata in gruppi di lavoro scientifici (Science WorkingGroups, SWGs) in modo da coprire tutte le aree scientifiche possibilmente affrontabili da SKA e fornire un canale di interazione con la comunità astrofisica internazionale.
In particolare, sono stati costituiti 14 SWGs (https://www.skao.int/en/science-users/science-working-groups): Cosmologia, Epoca della Reionizazione, Onde gravitazionali, Scienza galattica con HI, Magnetismo, La nostra galassia, l’Origine della vita, Continuo extragalattico, Spettroscopia extragalattica, particelle cosmiche ad alta energia, Pulsar, Fisica Solare, Eliosferica e Ionosferica, Transienti e VLBI.
L’Italia contribuisce alla definizione di tutti i casi scientifici del progetto SKA attraverso un’ampia partecipazione a questi gruppi di lavoro. Il personale di 15 strutture INAF e di 14 università italiane è infatti coinvolto in 13 dei 14 SKA SWGs: attualmente 6 di questi gruppi sono a leadership Italiana, mentre in 9 l’Italia ha ruoli di coordinamento. Non solo, la comunità italiana sta partecipando in modo massiccio ai progetti scientifici portati avanti con i precursori di SKA (Meerkat+ e Askap), sviluppando competenze ed esperienza che si riveleranno fondamentali quando SKA sarà una realtà pienamente operativa.
Il coinvolgimento tecnologico italiano su SKA: le antenne di SKA-Low
I ricercatori italiani dell’INAF hanno avuto (e hanno tuttora) un ruolo importante nello sviluppo tecnologico del progetto SKA. Nella fase di design di progetto, allo scopo di studiare le caratteristiche del miglior tipo di antenna da usare per SKA-Low e acquisire esperienza e tecnologie utili per lo sviluppo dell’array a bassa frequenza, sono stati realizzati due cosiddetti dimostratori di small aperture array: il Medicina Array Demonstrator (MAD) e il Sardinia ArrayDemonstrator (SAD).
Anche se poi nessuna delle due tipologie di antenne è stata selezionata per la costruzione finale di SKA-Low, la grande esperienza accumulata è stata messa a frutto nella successiva costruzione dei modelli definitivi presso il Murchison Radio Observatory (MRO), il sito del progetto SKA nel deserto australiano. In Australia gli esperti italiani guidati dall’INAF hanno effettuato test per controllare le prestazioni di due diversi design d’antenna: quello italiano (che è stato poi scelto per la costruzione, lo SKALA 4.1AL) e quello australiano. Il prototipo Skala 4.1 Al – dal caratteristico aspetto simile ad un albero di Natale – è stato sviluppato dall’INAF in collaborazione con il Cnr-Ieiit e l’azienda italiana Sirio Antenne a partire dal design elettromagnetico Skala4 del Consorzio internazionale Aperture Array Design & Construction.
L’importanza scientifica di SKA
Per capire l’importanza scientifica di SKA, abbiamo intervistato la dottoressa Grazia Umana, radioastronoma e Dirigente di Ricerca presso l’Osservatorio Astrofisico di Catania dell’INAF (di cui è stata anche direttrice), a lungo chair del Gruppo di Lavoro SKA “OurGalaxy”.
Come nasce l’idea di SKA?
Una delle domande fondamentali dell’Astrofisica è come ha avuto origine e come si è evoluto l’Universo. Anche se negli ultimi anni la nostra comprensione della cosmologia si è notevolmente ampliata, la cosiddetta alba cosmica, cioè il periodo in cui si sono formate le prime strutture cosmiche, rimane ancora poco esplorata. Questo periodo dell’Universo primordiale è particolarmente difficile da osservare perché le prime proto-galassie sono oggetti estremamente deboli e gran parte della loro luce viene fortemente assorbita dalla materia che incontra prima di essere rivelata. Non abbiamo le informazioni del primo miliardo di vita dell’Universo e questo rende particolarmente difficile capire come si sono formate le prime strutture cosmiche e se queste avevano caratteristiche simili o diverse da ciò che osserviamo oggi.
La Radioastronomia possiede un formidabile strumento per osservare l’Universo, la riga a 1420 MHz (21cm in lunghezza d’onda) dell’idrogeno neutro. L’idrogeno neutro ha una firma facilmente visibile nella banda in cui operano i radio telescopi. Quando, studiando lo spettro, cioè la distribuzione dell’energia emessa da un corpo celeste, riusciamo a registrare emissione (o assorbimento) intorno a 1420 MHz, possiamo determinare, in modo univoco, la presenza di idrogeno neutro.
La riga a 1420 MHz, associata a una galassia che si allontana a causa dell’espansione dell’Universo, verrà osservata a una frequenza più bassa e la differenza, tra la frequenza a cui si osserva la riga e 1420 MHz, è una misura della distanza della galassia o del tempo trascorso da quando è stato emesso il segnale rivelato. Osservazioni a frequenze sempre più basse corrispondono a osservazioni di regioni sempre più distanti e, proprio come una macchina del tempo, ci permettono di raccogliere informazioni sull’Universo primordiale. Man mano che le prime strutture cosmiche si formano e nascono le prime stelle, queste con la loro luce ultravioletta, riescono a ionizzare l’idrogeno circostante che, non essendo più neutro, perde la sua firma caratteristica a 1420 MHz.
Il concetto di SKA nasce all’inizio degli anni ’90, proprio come un radiotelescopio dedicato allo studio della riga a 1420 MHz come tracciante dell’origine ed evoluzione dell’Universo. SKA è stato infatti progettato e disegnato per avere caratteristiche uniche, in termini di sensibilità e potere risolutivo, e con un’ampia copertura in frequenza per riuscire a rivelare e produrre le immagini delle regioni più distanti del nostro Universo, nella riga dell’idrogeno neutro. Grazie a SKA riusciremo a ricostruire come, dove e quando si sono formate le prime stelle, tracciando nel tempo come la distribuzione dell’idrogeno neutro è variata all’avanzare della formazione delle strutture cosmiche.
Che sfide scientifiche e tecnologiche affronterà SKA?
SKA ha un potenziale scientifico senza precedenti. Pensato come un radiotelescopio per studiare la riga a 1420 MHz, SKA, grazie alle sue caratteristiche uniche, rivoluzionerà le nostre conoscenze in tutti i campi dell’astrofisica moderna, permettendo tutta una serie di scoperte, alcune al momento nemmeno immaginabili.
La straordinaria sensibilità di SKA, unita al suo grande campo di vista, permetterà di mappare vaste aree di cielo in parallelo, permettendo accurati studi di grandi campioni di diverse popolazioni di oggetti galattici ed extragalattici molto più velocemente di quanto sia possibile fare oggi.
Oltre alla formazione e l’evoluzione delle prime stelle e galassie dopo il Big Bang, SKA avrà un forte impatto e migliorerà la nostra conoscenza sulla natura della gravità, sul ruolo del magnetismo cosmico e sulla possibilità di vita al di fuori della Terra.
SKA sarà in grado di misurare indirettamente gli effetti della gravità sugli oggetti nell’Universo. La sensibilità unica di SKA permetterà di identificare pulsar in orbita attorno a un buco nero e di osservare gli effetti del forte campo gravitazionale, alla ricerca delle minuscole perturbazioni nel tessuto dello spazio-tempo. Allo stesso tempo, sarà possibile studiare le proprietà dei buchi neri e, dato che la relatività generale fa previsioni chiare sulla natura dei buchi neri, le osservazioni SKA costituiranno un test molto importante della relatività generale.
I campi magnetici permeano tutto l’Universo su scale che vanno fino a miliardi di anni luce, dai pianeti alle stelle, dalle galassie agli ammassi di galassie. Sappiamo che i campi magnetici svolgono un ruolo fondamentale nel controllo della formazione e dell’evoluzione dei corpi celesti e sono gli ingredienti chiave nel controllo del trasporto e dell’accelerazione di particelle ad alta energia. Tuttavia, la loro origine non è ancora chiara, come non è chiaro come si siano potuti mantenere su tempi scala cosmici. SKA sarà in grado di rivelare l’emissione radio polarizzata prodotta dagli elettroni relativistici che interagiscono con campi magnetici, creando la prima mappa magnetica tridimensionale dell’Universo. Ciò ci permetterà di capire come i campi magnetici influenzano la struttura delle galassie, il loro effetto sulla formazione di stelle e pianeti e come regolano l’attività solare e stellare.
Una delle scoperte più intriganti degli ultimi anni è l’esistenza di sistemi planetari oltre il nostro sistema solare. Il numero degli esopianeti è in rapida crescita e la maggior parte di loro mostra un’architettura molto diversa di quella del nostro sistema solare. SKA contribuirà a capire il processo che porta alla formazione dei pianeti, osservando l’emissione radio prodotta dalle particelle che si aggregano tar di loro, da scale di centimetri a metri. Grazie alla sua sensibilità e copertura in frequenza, sarà inoltre possibile rivelare l’emissione da molecole complesse, permettendo di capire l’evoluzione della chimica che porta alla formazione di potenziali biosfere. SKA sarà inoltre capace di rivelare anche eventuali segnali dovuti a civiltà extraterrestri tecnologicamente attive.
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L’articolo è pubblicato in COELUM 265 VERSIONE CARTACEA
