Italie
Bref historique de l'Italie soutenant la SKAO
L'Italie est entrée en jeu dans le projet SKA le 10 août 2000. Lors d'une réunion de l'Union astronomique internationale à Manchester (Royaume-Uni), un groupe de pays intéressés par le projet a signé un protocole d'accord pour établir le Comité directeur international du Square Kilometre Array (ISSC). Une dizaine d'années plus tard, le 30 mars 2011, une lettre d'intention a été signée lors d'une réunion à Rome, aboutissant à la fondation de l'organisation SKA. À cette occasion, l'Italie et l'INAF ont démontré le rôle de chef de file qui a animé la participation au projet SKA depuis le tout début. Le 23 décembre 2014, le Parlement italien a approuvé le budget destiné à financer la participation économique de l'Italie au projet.
De 2015 à 2018, l'Italie a dirigé les négociations multilatérales qui ont conduit à la création de l'Observatoire en tant qu'organisation intergouvernementale (OIG). Le 24 mai 2018, l'Italie a été la première nation à parapher le texte de la Convention. Quelques mois plus tard, le 12 mars 2019, les ministres des six premiers pays membres ont officiellement signé le traité international portant création de l'Observatoire SKA (SKAO).
Intérêt scientifique
Des chercheurs et des scientifiques italiens, par l'intermédiaire de l'Institut national d'astrophysique (INAF), contribuent à la définition de tous les cas scientifiques du projet SKA grâce à une large participation aux groupes de travail scientifiques du SKA (SWG) : cosmologie, tests de relativité générale par l'étude des pulsars, l'évolution des galaxies, l'analyse détaillée de notre galaxie, les ondes gravitationnelles, le magnétisme, l'époque de la réionisation. L'INAF et de nombreuses universités italiennes participent à 13 des 14 groupes de travail scientifiques du SKA : actuellement, l'Italie joue un rôle de chef de file dans 6 SWG (cosmologie, époque de réionisation, ondes gravitationnelles, science de la galaxie HI, magnétisme, notre galaxie), et un rôle de coordination dans 9 SWG.
Les chercheurs de l'INAF dirigent ou participent à de nombreuses études scientifiques publiées dans de grandes revues internationales et exploitent déjà la puissance des précurseurs et des explorateurs du projet SKA. Au fil des ans, en attendant le bon fonctionnement des télescopes SKAO, l'INAF a rejoint le télescope international LOFAR (ILT) en 2018 et le projet MeerKat+ (une extension de MeerKat) en 2020. En outre, l'INAF met en place un centre d'analyse de données dédié qui rejoindra les centres régionaux du SKA (SRC). Il s'agit d'un réseau de centres de données qui hébergera des infrastructures informatiques de pointe capables de traiter et de stocker la quantité de données produites par les antennes et les antennes paraboliques SKAO. Les SRC devraient également fournir aux utilisateurs du SKA la préparation des propositions et un soutien à la gestion des données.
Les activités de recherche italiennes ont conduit, en 2014, à la publication du livre blanc italien SKA, qui a vu la participation de plus de 80 chercheurs. Cet effort a permis à la communauté scientifique italienne de contribuer au SKA Science Book, publié en 2015. Le livre illustre également les actes de la conférence scientifique « Advancing Astrophysics with the SKA ».
Construire les télescopes de la SKAO
L'INAF a participé au développement technologique de la plus grande infrastructure radio-astronomique du monde depuis le début du projet par le biais de programmes européens spécifiques de recherche et de développement technologique. Au fil des ans, l'INAF a participé activement à quatre consortiums de conception SKA récemment conclus, dont l'objectif général était de développer la conception de tous les éléments des antennes SKA. L'INAF a notamment participé aux activités suivantes :
- dans la conception des antennes, des récepteurs et de la chaîne d'acquisition de signal pour les antennes basse fréquence en Australie occidentale, en collaboration avec les universités de Bologne, Florence et Ferrare et le Cnr-Ieiit
- dans le développement du logiciel de surveillance et de contrôle pour les plats en Afrique du Sud
- dans le développement d'algorithmes et de traitement de données
- dans le développement de récepteurs à alimentation multiéléments (PAF).
L'INAF a également créé des démonstrateurs de réseaux à petite ouverture : le Medicina Array Demonstrator (MAD) et le Sardinia Array Demonstrator (SAD) afin d'acquérir de l'expérience et des technologies utiles au développement du réseau basse fréquence. Des ingénieurs italiens ont ensuite utilisé cette expérience pour construire des démonstrateurs au Murchison Radio Observatory (MRO), le site du projet SKA dans le désert australien. En outre, les experts italiens dirigés par l'INAF sont impliqués dans la réalisation de tests visant à vérifier les performances de deux conceptions d'antennes différentes : l'italienne (SKALA 4.1AL, choisie pour la construction) et la conception australienne.
Pathfinders & Precursors : la contribution italienne
L'Italie apporte une contribution significative à SKAO et au travail de certains précurseurs et éclaireurs qui ouvrent la voie au projet SKA : les pathfinders et les précurseurs. Plus précisément, MeerKat+ et LOFAR.
MeerKat+ est l'extension du radiotélescope MeerKat en Afrique du Sud, dans le désert du Karoo, composé de 64 paraboles de 13,5 mètres de diamètre. Avec MeerKat+, le nombre d'antennes sera porté à 80 et progressivement intégré dans le SKA-MID, un réseau de 197 antennes paraboliques. L'extension MeerKat+, initiée par SARAO et Max-Planck-Gesellschaft (MPG) et que l'INAF a rejoint en tant que partenaire en 2020, augmentera à la fois la sensibilité et la résolution spatiale du réseau de télescopes MeerKat et fournira ainsi un outil puissant pour étudier la formation et l'évolution des galaxies à travers le histoire de l'univers. Les besoins informatiques du télescope seront également multipliés par dix en raison de ces améliorations. Les contributions technologiques des chercheurs de l'INAF sont de deux types : le logiciel « local monitoring and control » et le développement du corrélateur pour les 80 antennes.
D'autre part, en 2018, l'Italie et l'INAF ont rejoint le télescope international Lofar, l'un des pionniers du projet SKA. Avec plus de 25 000 antennes réparties dans 51 stations réparties dans 7 pays européens, LOFAR (Low-Frequency Array) est le réseau le plus étendu pour les observations de radioastronomie basse fréquence. Avec la signature du contrat pour la construction d'une nouvelle station à Medicina, près de Bologne, LOFAR commence à s'étendre encore et, par conséquent, à augmenter ses capacités d'observation. L'INAF dirige un consortium national qui inclut le département de physique de l'université de Turin. En outre, l'INAF développera une nouvelle génération d'appareils électroniques de pointe pour équiper ce radiotélescope répandu dans toute l'Europe.
Développement de nouvelles technologies
Les entreprises italiennes ont contribué à la conception des antennes SKAO et à la construction des télescopes précurseurs, et elles se sont également engagées dans des applications dérivées de nouvelles technologies. En outre, de nombreuses entreprises industrielles italiennes ont collaboré en fournissant un soutien à la conception et à la production des différents groupes de travail. Par exemple, l'INAF, en collaboration avec l'IEIIT et la société italienne Sirio Antenne, a développé SKALA 4.1AL, le prototype actuel des antennes LFAA (Low Frequency Aperture Array).
SKALA 4.1AL : antennes et récepteurs
Le plus récent prototype de l'antenne LFAA, SKALA 4.1AL, a été développé par l'INAF en collaboration avec l'IEIIT et Sirio Antenne, à partir de la conception électromagnétique commune SKALA4, elle-même développée en partenariat avec le Consortium Aperture Array Design & Construction. SKALA 4.1AL est une antenne log-périodique à double polarisation, ressemblant à un sapin de Noël, conçue comme un capteur large bande. En collaboration avec la société coréenne Asb, l'équipe italienne a également développé un amplificateur à faible bruit (LNA) installé sur le dessus de l'antenne, qui amplifie le faible signal astronomique reçu. Les prototypes SKALA 4.1AL sont actuellement testés dans une station complète de 256 antennes, appelée Aperture Array Verification System 2.0 (AAVS2), dont l'installation a été achevée en novembre 2019 au Murchison Radio Observatory par des ingénieurs et des techniciens de l'INAF, avec le soutien de collègues australiens. Depuis 2004, l'INAF travaille également à la conception de récepteurs pour les systèmes basse fréquence (<2 GHz), en introduisant la technologie RFoF (Radio Frequency over Fiber), qui permet aux réseaux d'antennes de transporter tous les signaux dans une installation centrale.
TPM : « Module de traitement des tuiles »
L'équipe de l'INAF a également mené une collaboration internationale pour concevoir un système numérique/analogique permettant d'acquérir et de traiter les signaux radio reçus (module de traitement des carreaux, TPM). Cette tâche comprenait le développement d'un système basé sur des drones (Unmanned Air Vehicle, UAV) pour tester les antennes. L'UAV porte une antenne d'émission (dipôle) et un système de positionnement par satellite précis ; de tels dispositifs permettent de tester avec précision le comportement des antennes prototypes LFAA à une distance de plusieurs centaines de mètres. En outre, l'équipe italienne s'est rendue à plusieurs reprises à l'observatoire de radio-astronomie Murchison pour mener de telles campagnes de mesure sur les prototypes LFAA, en collaboration avec l'Université de Malte et l'Australian International Centre for Radio Astronomy Research.
La plateforme numérique TPM est actuellement utilisée par le radiotélescope Northern Cross, situé à la station radio-astronomique Medicina de l'INAF, pour sa participation à l'espace européen Surveillance et suivi pour l'étude et le suivi des débris spatiaux et dans les activités de recherche sur les rafales radio rapides. En outre, les chercheurs pourraient également utiliser le prototype de la carte dans divers projets non astronomiques, tels que des radars avancés, des satellites et des équipements médicaux tels que le TAC ou la RMN.
Études d'impact
Les exigences du projet SKA remettent en question toutes les technologies TIC actuelles et les méthodes de gestion et d'analyse du Big Data, ce qui implique la conception et la mise en œuvre d'une organisation qui va au-delà de l'ère Exascale et le développement de compétences en première ligne de la recherche.
L'INAF prévoit de s'engager pleinement dans ce défi, en s'appuyant sur l'expertise développée jusqu'ici également dans le cadre de plusieurs actions et infrastructures européennes, telles que l'AENEAS (Advanced European Network of e-Infrastructures for Astronomy with the SKA), EUROHPC (European High-Performance Computing Joint Undertaking) et EOSC (European Open Science Cloud). En particulier, l'INAF met en place SRC-Italie, le pôle italien d'un réseau international de centres régionaux SKA (SRC) : les données fournies par les télescopes SKA-mid et SKA-Low seront hébergées, analysées, exploitées, traitées et archivées, également dans le cadre du FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable) principes. Elle sera la principale entité dans le contexte de l'installation informatique plus large de l'INAF. En outre, il favorisera le développement de synergies infrastructurelles avec la Technopole de Bologne.
Compte tenu de la taille et de la particularité de ce projet, il deviendra également un banc d'essai pour le développement de solutions logicielles innovantes utiles pour la gestion, l'analyse et la visualisation de données génériques. En outre, il garantira une expertise dans des secteurs critiques afin de favoriser la croissance de nombreux actifs numériques en Italie, tels que l'analyse de données et l'exploration de données.
Les exigences d'observation de haut niveau du projet SKA ont également conduit à la réalisation d'une nouvelle antenne commerciale haute performance fonctionnant aux fréquences 4G-LTE (698-2700 MHz) * développée par la société industrielle italienne Sirio Antenne, sous-traitant de l'INAF dans le cadre du projet SKA, s'inspire de l'antenne SKALA 4.1-AL créée pour le télescope SKA-Low. L'antenne a obtenu un excellent retour d'information du marché européen et a remporté un appel d'offres en France pour le fournisseur du réseau électrique (pour ENEDIS/EDF FRANCE, pour la lecture de la consommation électrique à distance).
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