Italia
Breve storia del coinvolgimento italiano nel progetto SKA
L’Italia entra in gioco nel progetto SKA il 10 agosto 2000, quando, in occasione della riunione dell’Unione Astronomica Internazionale a Manchester (Regno Unito), viene siglato un protocollo d’intesa per istituire il Comitato direttivo internazionale dello Square Kilometre Array (ISSC). Una decina di anni dopo, durante un incontro a Roma (presso Villa Mellini, quartier generale dell’INAF) il 30 marzo 2011, è stata sottoscritta la lettera d’intenti che ha portato alla fondazione dell’Organizzazione SKA. In quell’occasione l’Italia e l’INAF hanno dimostrato il loro ruolo di leadership che fin dai primi momenti ha animato la partecipazione al progetto SKA. Il 23 dicembre 2014 è arrivata anche l’approvazione da parte del Parlamento Italiano di un’apposita linea di finanziamento nel Bilancio dello Stato per sostenere la partecipazione economica dell’Italia nel progetto. Sin da subito con un ruolo di protagonista nel progetto, dal 2015 al 2018 l’Italia ha guidato i negoziati multilaterali che hanno portato all'istituzione dell’Osservatorio, dell’organizzazione intergovernativa (IGO) per la supervisione della costruzione della più grande rete di radiotelescopi al mondo. Il 24 maggio 2018, l’Italia è stata la prima nazione a siglare il testo del trattato internazionale (Convenzione). Pochi mesi dopo, il 12 marzo 2019, durante una cerimonia ufficiale presso il Ministero dell’istruzione, dell’università e della ricerca (MIUR), i Ministri dei primi sei Paesi ad aver aderito hanno ufficialmente firmato il Trattato internazionale dando vita all’Osservatorio SKA (SKAO).
La scienza delle antenne SKAO
Sotto la guida dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) l’Italia contribuisce alla definizione di tutti i casi scientifici del progetto SKA attraverso un’ampia partecipazione agli SKA Science Working Groups (SWGs): dalla cosmologia ai test sulla relatività generale tramite lo studio delle pulsar, dall’evoluzione delle galassie allo studio dettagliato della nostra Galassia, dalle onde gravitazionali al magnetismo, passando per l’epoca della reionizzazione.
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 (Cosmology, Epoch of Reionization, Gravitational Waves, HI Galaxy Science, Magnetism, Our Galaxy) sono a leadership Italiana, mentre in 9 l’Italia ha ruoli di coordinamento.
I ricercatori INAF guidano o sono coinvolti in numerosi studi, pubblicati sulle maggiori riviste scientifiche internazionali, sfruttando già oggi la potenza dei precursori e dei pathfinder del progetto SKA. Nell’attesa dell’effettiva operatività dei telescopi, l’INAF ha infatti aderito all'International LOFAR Telescope (ILT) nel 2018 e al progetto MeerKAT+ (un'estensione di MeerKAT) nel 2020. L’INAF sta lavorando, inoltre, alla creazione di una struttura dedicata all’analisi dei dati che si unirà ai cosiddetti SKA Regional Centers (SRC), una rete di data center che ospiterà infrastrutture informatiche di nuova generazione capaci di elaborare e archiviare a lungo termine la mole di dati prodotti dalle antenne SKAO. Gli SRC dovrebbero anche fornire agli utenti SKA il supporto per la preparazione delle proposte e la gestione dei dati.
Le attività di ricerca italiane hanno portato, nel 2014, alla pubblicazione dell’Italian SKA White Book, con oltre 80 ricercatori coinvolti. Questo sforzo ha permesso alla comunità scientifica italiana di contribuire in maniera massiccia allo SKA Science Book, pubblicato nel 2015.
Il coinvolgimento tecnologico in SKAO
L’INAF ha partecipato attivamente allo sviluppo tecnologico della più grande infrastruttura radioastronomica del mondo fin dall’inizio del progetto, attraverso specifici programmi europei. Negli anni l’INAF ha partecipato attivamente ai lavori di quattro Consorzi di Design SKA, recentemente conclusi, il cui obiettivo generale è stato quello di sviluppare il design di tutti gli elementi delle antenne. In particolare l’INAF è coinvolto:
- nel design delle antenne, dei ricevitori e della catena di acquisizione del segnale per le antenne a bassa frequenza di SKA-Low (in Australia Occidentale), in collaborazione con le Università di Bologna, Firenze e Ferrara e l’Istituto di elettronica e d’ingegneria dell'informazione e delle telecomunicazioni (IEIIT) del CNR
- nello sviluppo di software di monitoraggio e controllo del telescopio e delle antenne a parabola SKA-Mid (in Sudafrica)
- nello sviluppo di algoritmi e processing di dati
- in un programma per lo sviluppo di ricevitori di tipo Phased Array Feed (PAF).
L’INAF ha anche realizzato dimostratori di small aperture array: il Medicina Array Demonstrator (MAD) e il Sardinia Array Demonstrator (SAD), al fine di acquisire esperienza e tecnologie utili per lo sviluppo dell’array a bassa frequenza. Questa esperienza è stata messa a frutto con la costruzione di dimostratori 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, SKALA 4.1AL) e quello australiano.
Pathfinder e precursori: la partecipazione italiana
L’Italia dà un grande contributo non solo a SKAO, ma anche al lavoro di alcuni precursori e pathfinder che stanno spianando la strada al progetto SKA: rispettivamente MeerKAT+ e LOFAR.
MeerKAT+ è l’estensione del radiotelescopio MeerKAT, già costruito in Sudafrica (nel deserto del Karoo) e costituito da 64 parabole da 13,5 metri di diametro. Con MeerKAT+, il numero di antenne verrà portato a 80 per essere gradualmente integrato in SKA-Mid, che conterà una schiera di 197 parabole. L'estensione MeerKAT+, inizialmente avviata da SARAO e dal Max-Planck-Gesellschaft (MPG), e a cui l’INAF si è unita come partner nel 2020, aumenterà sia la sensibilità che la risoluzione spaziale dell'array di MeerKAT fornendo così un potente strumento per studiare la formazione e l'evoluzione delle galassie nel corso della storia dell'universo. Anche i requisiti di calcolo del telescopio saranno decuplicati grazie a questi miglioramenti. I contributi tecnologici dei ricercatori INAF sono di due tipi: il software di “local monitoring & control" e lo sviluppo del correlatore per le 80 antenne.
L’adesione dell’INAF all’International Lofar Telescope risale invece al 2018. Con oltre 25 mila antenne raggruppate in 51 stazioni distribuite in 7 stati europei, il Low Frequency Array (LOFAR), gestito da ASTRON, è la più estesa rete per osservazioni radioastronomiche in bassa frequenza attualmente operativa. Con la firma del contratto per la realizzazione di una nuova stazione presso Medicina, in provincia di Bologna, LOFAR diventerà ancora più esteso e aumenteranno di conseguenza le sue capacità osservative. L’INAF guida un consorzio nazionale, di cui fa parte anche il dipartimento di fisica dell’Università di Torino, e parteciperà allo sviluppo della nuova generazione di dispositivi elettronici che equipaggeranno questo radiotelescopio diffuso sul territorio europeo. Il consorzio ha l’obiettivo di fornire agli scienziati italiani le condizioni per l’accesso e l’analisi dei dati di LOFAR, massimizzando l’impatto scientifico della ricerca. L’INAF gestisce, inoltre, l’infrastruttura computazionale nazionale per l’analisi dei dati LOFAR, distribuita in tre siti: Bologna, Trieste e Catania.
La tecnologia italiana al servizio di SKAO
Le aziende italiane hanno contribuito a progettare le antenne SKAO e a costruire i telescopi precursori. Si sono anche impegnate in applicazioni spin-off di nuove tecnologie. Negli anni di progettazione e design, tante realtà industriali italiane hanno collaborato al progetto fornendo supporto ai diversi gruppi di lavoro. L’INAF, in collaborazione con l’IEIIT e l’azienda italiana Sirio Antenne, infine, ha sviluppato SKALA 4.1AL, l’attuale prototipo delle antenne del Low Frequency Aperture Array (LFAA).
Antenne e ricevitori SKALA 4.1
SKALA 4.1AL è il nome del prototipo di antenne installate attualmente in Australia Occidentale; è stato sviluppato da INAF, IEIIT e Sirio Antenne a partire dal design elettromagnetico SKALA 4 del Consorzio internazionale Aperture Array Design & Construction. SKALA 4.1AL è un’antenna, somigliante a un albero di Natale, log-periodica e a doppia polarizzazione che assicura un’ampia banda di ricezione. Il team italiano ha anche lavorato allo sviluppo di un amplificatore a basso rumore (LNA) installato nella parte superiore dell’antenna per ottenere l’amplificazione dei deboli segnali astronomici. I prototipi SKALA 4.1AL sono ora in fase di collaudo all’Aperture Array Verification System 2.0 (AAVS2), la stazione di 256 antenne (completata nel 2019 da ingegneri e tecnici dell’INAF) presso il Murchison Radio astronomy Observatory, con il supporto dei colleghi australiani. Dal 2004, l’INAF si occupa anche della progettazione di ricevitori per sistemi a bassa frequenza (<2 GHz) e ha introdotto la cosiddetta tecnologia RFoF (Radio Frequency over Fibre), che permette agli array di antenne di trasportare tutti i segnali in una struttura centrale. RFoF è diventata un elemento chiave di AAVS 2.
Il TPM: “Tile Processing Module”
L’INAF ha guidato, inoltre, una collaborazione internazionale finalizzata alla realizzazione di un sistema digitale/analogico per l’acquisizione e l’elaborazione dei segnali radio ricevuti (Tile Processing Module, TPM), nato lavorando anche allo sviluppo di un sistema basato sull’utilizzo di un drone (Unmanned Air Vehicle, UAV) per il collaudo delle antenne. L’UAV è dotato di un’antenna di trasmissione a dipolo e di un sistema di posizionamento satellitare, che consentono di verificare con grande accuratezza, da centinaia di metri di distanza, il comportamento delle antenne prototipo realizzate per LFAA. Il team italiano si è recato diverse volte al Murchison Radio astronomy Observatory per condurre campagne di misura su tali antenne, in collaborazione con l’Università di Oxford/Malta e l’International Centre for Radio Astronomy Research in Australia.
Il TPM è attualmente impiegato presso il radiotelescopio Croce del Nord, situato nella Stazione Radioastronomica INAF a Medicina, e utilizzato nell’ambito della rete europea di sorveglianza e al tracciamento spaziale (EUSST) per il monitoraggio dei detriti spaziali e nelle attività di ricerca dei Fast Radio Burst. Il prototipo del TPM potrebbe anche essere utilizzato in una varietà di progetti non astronomici, come radar avanzati, satelliti e apparecchiature mediche come TAC o NMR.
Studi d’impatto socio economico
I requisiti di calcolo richiesti dalle straordinarie capacità osservative del progetto SKA sfidano tutte le attuali tecnologie ICT e i metodi di gestione e analisi dei Big Data, implicando la progettazione e l'implementazione di un'organizzazione che guardi anche oltre l'ormai iniziata era dell'Exascale, così come lo sviluppo di competenze costantemente in prima linea nella ricerca.
L'INAF ha accettato pienamente questa sfida, basandosi sulle competenze sviluppate finora anche nel contesto di diverse azioni e/o infrastrutture europee, come per esempio AENEAS (Advanced European Network of E-infrastructures for Astronomy with the SKA), EUROHPC (European High Performance Computing Joint Undertaking) e EOSC (European Open Science Cloud). In particolare, l’INAF sta costituendo il polo italiano (SRC-Italy) di una rete internazionale di SKA Regional Centres (SRCs), dove i dati forniti dai telescopi SKA-Mid e SKA-Low saranno ospitati, analizzati, sfruttati, gestiti e archiviati, anche seguendo i principi FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable). Questa sarà un'entità principale nel contesto della più ampia INAF Computing Facility e, date le dimensioni del progetto, promuoverà lo sviluppo di sinergie infrastrutturali anche con il Tecnopolo di Bologna. Questo progetto, date le sue dimensioni e peculiarità, diventerà anche un banco di prova per lo sviluppo di soluzioni software innovative utili per la gestione, l'analisi e la visualizzazione generica dei dati, e garantirà la creazione di competenze in settori chiave per favorire la crescita dell'Italia in molti asset digitali, come la data analytics e il data mining.
I requisiti osservativi di alto livello del progetto SKA hanno permesso anche la realizzazione di una nuova antenna commerciale ad alte prestazioni che lavora alle frequenze 4G-LTE (698-2700 MHz) sviluppata dall'azienda industriale italiana Sirio Antenne, contraente dell'INAF nel progetto SKA, su ispirazione dell'antenna SKALA 4.1-AL creata per il telescopio SKA-Low. L'antenna ha ottenuto un buon feedback dal mercato europeo e ha vinto una gara d'appalto in Francia per la fornitura di rete elettrica (per ENEDIS / EDF FRANCE, per la lettura a distanza del consumo di energia).
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Comunicazione e stampa: Eleonora Ferroni (INAF) eleonora.ferroni@inaf.it
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