De grootste radiotelescoop is 131.000 antennes sterk | Technisch Weekblad
Achtergrond

De grootste radiotelescoop is 131.000 antennes sterk

Dit jaar is de Square Kilometre Array Observatory officieel van start gegaan. De oprichting van de intergouvernementele organisatie, tevens een van de grootste wetenschappelijke instellingen van de 21e eeuw, is een mijlpaal voor de radioastronomie.

Het bekendste radioastronomieproject is waarschijnlijk de zoektocht naar sporen van buitenaardse beschavingen onder de naam SETI (search for extraterrestrial intelligence). Maar er gebeurt nog veel meer met radiotelescopen.

Het nieuwste paradepaard onder de van radiotelescopen is de Square Kilometre Array (SKA). Hoewel de naam een omvang van maar liefst één vierkante kilometer suggereert hij uiteindelijk iets kleiner. Desalniettemin wordt het qua oppervlakte de grootste radiotelescoop van de wereld.

Enige nuancering is daarbij op zijn plaats, want het hangt er ook van af hóe je de omvang vaststelt. SKA bestaat – net als het van origine Nederlandse LOFAR, een pathfinder-project voor SKA – uit velden vol met antennes. Heb je het over een radiotelescoop met één enkele schotel, dan is de Chinese Five hundred meter Aperture Spherical Telescope (FAST) met een diameter van 500 m de grootste. Toch is SKA een mijlpaal in de geschiedenis van de radioastronomie. Deze internationale prestatie brengt de gevoeligste radiotelescoop ter wereld voort.

‘Eén observatorium, twee telescopen, drie gastlanden,’ zegt André van Es, senior project manager van SKA Low Frequency Telescope (SKA-Low). Het observatorium bestaat uit twee verschillende radiotelescopen, een in Zuid-Afrika en een in Australië, die beide op een andere bandbreedte observeren. Het SKA-hoofdkwartier bevindt zich in het Verenigd Koninkrijk; SKA telt momenteel zes lidstaten en tien ‘observerende’ landen. Daarnaast zijn er acht Afrikaanse partnerlanden.

SKA Mid-Frequency Telescope, ofwel SKA-Mid, observeert bandbreedtes van 350 MHz tot aan 20 GHz. De telescoop verrijst in het Zuid-Afrikaanse Karoo (Noord-Kaap) en zal de reeds bestaande radiotelescoop MeerKAT integreren. ‘MeerKAT is een voorloper van de volledige SKA en zal als onafhankelijk instrument een aantal jaren onderzoek doen, voordat hij wordt geïntegreerd in de eerste fase van de volledige SKA. Hoewel MeerKAT- en SKA1-Mid-antennes enigszins verschillen, zullen ze samenwerken en een belangrijke bijdrage leveren aan de gevoeligheid van de telescoop,’ vertelt Maria Grazia Labate, telescoop-ingenieur voor SKA-Low.

SKA-Low kijkt terug in de tijd en zal proberen meer te weten te komen over de vorming van de eerste sterrenstelsels in het vroege heelal

De andere radiotelescoop, SKA-Low, wordt vanuit het niets gebouwd in Murchison in West-Australië. Beide telescopen worden dus in de woestijn gebouwd. SKA-Low kijkt naar de lagere frequenties, vanaf 50 MHz. Bij de bouw van deze radiotelescoop heeft men veel geleerd van LOFAR, dat begon als Nederlands project in Exloo en inmiddels velden in verschillende Europese landen heeft. Ook LOFAR observeert lage frequenties.

SKA-Mid en SKA-Low zijn complementair en houden zich met verschillende wetenschappelijke vraagstukken bezig. Zo willen astronomen met SKA-Mid meer leren over kosmologie en de effecten van donkere energie op het heelal; SKA-Low kijkt terug in de tijd en zal proberen meer te weten te komen over de vorming van de eerste sterrenstelsels in het vroege heelal. Labate: ‘Daarin verschilt SKA ook van andere radiotelescopen. Die zijn stuk voor stuk vooral ontworpen voor een specifiek wetenschappelijk vraagstuk. SKA is ontwikkeld om ​​bredere fundamentele vragen in de astronomie aan te pakken.’

Geen doosjes in het veld

Hoewel er veel overeenkomsten zijn tussen SKA-Low en LOFAR, zijn er ook genoeg verschillen. Eén daarvan is het datatransport: bij LOFAR worden ontvangen radiogolven bij de antennes zelf gedigitaliseerd en pas daarna digitaal verzonden, vertelt Pieter Benthem, projectmanager bij het Nederlands instituut voor radioastronomie ASTRON, de organisatie achter LOFAR. Benthem: ‘Bij SKA gaat dat anders: daar gaan de data analoog door de glasvezel heen naar een gebouw toe, om daar gedigitaliseerd te worden. Dat gebouw heeft climate control, dus daarin wordt alle hardware beheerd. Je wilt in de woestijn geen doosjes in het veld zetten, waar zand in kan komen.’

Voor concurrentie van SKA hoeft LOFAR niet bang te zijn. ‘In tegendeel’, stelt Benthem. ‘De twee telescopen zijn juist prachtig complementair. LOFAR bevindt zich op het noordelijk halfrond en SKA op het zuidelijk halfrond. Daarnaast zijn er ook specifieke verschillen in gevoeligheid en resolutie tussen de telescopen én houden ze zich bezig met verschillende wetenschappelijke vraagstukken. Bovendien duurt het nog zeker vijf tot zeven jaar voordat SKA überhaupt operationeel is en dat is in de wetenschappelijke wereld een eeuwigheid.’ Momenteel werkt ASTRON aan LOFAR 2.0, een grote upgrade voor LOFAR, waardoor deze radiotelescoop nog sneller nog meer metingen nog accurater kan verrichten. ‘Met LOFAR 2.0 gaan we bij ASTRON een mooie toekomst tegemoet en het zou me niet verbazen als er ook nog een LOFAR 3 komt’, aldus Benthem.

Het duurt nog zeker vijf tot zeven jaar voordat SKA operationeel wordt. Wat moet er dan nog gebeuren? Qua bouw: zo’n beetje alles. De ontwerpen voor de telescopen zijn grotendeels af en een demonstatorstation van SKA-Low is al twee jaar operationeel naast de MWA-telescoop in Australië. Maar er staat nog geen antenne of schotel – buiten die van MeerKAT dan – op de site. Van Es: ‘De start van de bouw van SKA-Low staat gepland voor juli van dit jaar. SKA-Low komt op een compleet nieuwe locatie in de woestijn. Dat betekent dat we eerst wegen, een infrastructuur, gebouwen en een kamp moeten bouwen, voordat we met de antennes kunnen beginnen. Ook moet er nog glasvezel in de grond worden gelegd. We denken daar omstreeks 2023 de eerste antenne te hebben staan.’

En wat gaan die antennes en schotels doen? Concreet: radiogolven van een bepaalde golflengte opvangen en omzetten in een digitaal signaal, deze signalen versterken en de nodige ruis uit het signaal filteren, corrigeren voor tijdsverschillen in de ontvangst van een radiosignaal van een bepaalde bron, de data correleren en eventuele foutieve data verwijderen of corrigeren en de gegevens verwerken om de waardevolle informatie te extraheren en te voorkomen dat er een overmatige hoeveelheid gegevens wordt gecreëerd.

1 petabit per seconde aan data

Nederland is nauw betrokken bij de ontwikkeling van SKA. ASTRON gaf leiding aan twee SKA-consortia: het Low Frequency Aperture Array consortium – dat voortborduurt op de ervaringen met LOFAR – en het Mid Frequency Aperture Array consortium. Een ander in het oog springend consortium waar ASTRON bij betrokken was, is dat van de Science Data Processor, Central Signal Processor en Synchronisation and Data Transport, waar ook IBM aan meewerkte. Radioastronomie is tegenwoordig vooral werken met big data. Om een indruk te geven: SKA1 alleen al zal ongeveer 1 petabit per seconde (1015 bit/s) aan data produceren. Dat is meer dan vijf keer het wereldwijde internetverkeer in 2015. Zo’n telescoop vergt dus enorm veel datatransport- reken- en opslagcapaciteit.

Daartoe worden in de eerste plaats zogenoemde Regional Centres opgezet: (super)computers met de bijbehorende data-infrastructuur. In Kaapstad en Perth komen Science Processing Centers. Het is echter ook de bedoeling dat Nederland gaat helpen bij de opslag en verwerking van de data middels het nog te ontwikkelen Science Data Centre (SDC). Voor de komst van het SDC zijn er echter nog wel wat doorbraken op het gebied van hardware en software nodig, iets waar nu hard aan wordt gewerkt. ASTRON heeft eerder met dit bijltje gehakt bij de ontwikkeling van de LOFAR-telescoop en weet hoe het samenwerkingen tussen wetenschap en bedrijfsleven op moet zetten, zodat deze hard- en software er ook daadwerkelijk kan komen.

‘Het SDC is als het ware een portal voor wetenschappers om onderzoeksdata op te halen’, vertelt Benthem. ‘De huidige radiotelescopen leveren data die al voor een deel geautomatiseerd zijn voorbewerkt; dat wil je echt niet meer zelf doen met die hoeveelheden aan data. Die voorbewerkte data komen beschikbaar via het SDC.’ Een deel van het onderzoek bij ASTRON spitst zich de komende jaren toe op het verder ontwikkelen van de basisprincipes en de technologie van het huidige internet, dat in feite hetzelfde doet: data verwerken en opslaan.

Ook het Nederlandse bedrijfsleven heeft bij de ontwikkeling van het SDC veel te winnen. Niet alleen bij de ontwikkeling zelf, maar ook bij de dataproductie van het SDC. Want hoewel die in eerste instantie ontwikkeld wordt voor de radioastronomie, reikt het aantal mogelijke toepassingen veel verder. Denk aan de logistieksector, de communicatiesector en de gezondheidszorg; tal van sectoren werken tegenwoordig met big data.

Na de officiële start van SKA is er dus nog een lange weg te gaan. Maar het begin is er en de grootste radiotelescoop gaat hopelijk baanbrekende resultaten opleveren. Niet alleen wetenschappelijk, maar ook technologisch.

De telescopen SKA-Mid en SKA-Low

De Square Kilometre Array bestaat uit twee verschillende telescopen: SKA-Mid en SKA-Low. SKA wordt bovendien in twee fases gebouwd. In fase 1, beter bekend als SKA1, komen er radioantennes in Zuid-Afrika en Australië; in fase 2 (SKA2) verrijzen er in andere Afrikaanse landen nog meer antennes, alsook op andere plaatsen in Australië.

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW