Schweizer Technologie hilft, die Ursprünge des Universums zu ergründen
Im Januar 2022 trat die Schweiz offiziell einem grossen Abenteuer bei – Square Kilometer Array Observatory (SKAO), einer internationalen Organisation, die das grösste Radioteleskop der Welt baut, um einige der grössten Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln.
Bis zum Ende des Jahrzehnts werden in Südafrika Hunderte von Schüsseln im mittleren Frequenzbereich und in Australien mehr als 130 000 Niederfrequenzantennen errichtet. Diese Radioastronomieanlage der nächsten Generation wird so weit zurückblicken wie die kosmische Morgendämmerung, als sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten, und sich mit einigen der grundlegendsten wissenschaftlichen Fragen unserer Zeit befassen. Mit einer voraussichtlichen Betriebsphase von mindestens 50 Jahren wird sie einer der Eckpfeiler der Physik des 21. Jahrhunderts sein.
Das Schweizer SKACH-Konsortium ist ein globales Gemeinschaftsprojekt, an dem derzeit sechzehn Länder beteiligt sind. Es besteht aus zehn Schweizer akademischen Institutionen, die an fünf Schlüsselprogrammen arbeiten: Wissenschaft, Datenwissenschaft, Computerplattformen und Infrastruktur, Instrumentierung sowie Bildung und Öffentlichkeitsarbeit.
«Innerhalb der globalen SKAO-Organisation ist die Struktur von SKACH einzigartig», erklärt Carolyn Crichton, Direktorin des SKACH-Konsortiums. «Wir sind ein institutionenübergreifendes, interdisziplinäres Team, und das ist Teil unserer Magie, Teil des Grundes, warum wir in relativ kurzer Zeit so viel zu den globalen Bemühungen beigetragen haben.»
Die Schweiz hat bis 2030 mehr als 33 Millionen CHF für den Bau und den baldigen Betrieb des Arrays bereitgestellt. Das Array wird noch nie dagewesene Datenmengen sammeln, die von den schnellsten Supercomputern der Welt in nahezu Echtzeit verarbeitet werden müssen. Schweizer Forschende werden bei dieser Arbeit von grundlegender Bedeutung sein und rund 650 PBytes/Jahr in Bereichen wie Kosmologie, dunkle Energie und Astrobiologie verarbeiten.
Ein Grossteil dieser Arbeit wird in einem geplanten regionalen Schweizer SKAO-Zentrum für Datenverteilung und -analyse am Swiss National Supercomputing Center (CSCS) stattfinden, das eine integrierte Infrastruktur für den Datenzugang und Analysewerkzeuge für die internationale Gemeinschaft bereitstellt. Die SKACH-Informatiker arbeiten direkt mit Astrophysikfachleuten zusammen, um skalierbare Simulationen, neuartige Bildgebungsverfahren, automatisierte Planung, Öko-Computing und HPC-Fähigkeiten zu entwickeln, die sich auf die Forschung im Bereich der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens stützen.
So erhielten SKACH-Wissenschaftlerinnen vor kurzem die bisher grösste Zuteilung von Knotenstunden auf dem europäischen Supercomputer LUMI-G, um eine Simulation durchzuführen, die die Rolle von Turbulenzen und Schwerkraft im Universum untersucht. Dieses Simulationsexperiment trägt dazu bei, die Entwicklung von Programmcodes voranzutreiben, die durch High-Performance Computing und Techniken des maschinellen Lernens verbessert werden, um grosse Datenströme zu verarbeiten, wie sie das SKAO sammeln wird.
«Für die Schweiz ist es aufregend, Teil des bisher grössten globalen Radioastronomieprojekts zu sein, das Antworten auf einige der grössten verbleibenden Rätsel der Astrophysik sucht, darunter das kosmologische Modell, die Entwicklung von Galaxien, der kosmische Magnetismus und der Ursprung des Lebens», erklärt EPFL-Professor Jean-Paul Kneib, der auch der wissenschaftliche Delegierte der Schweiz im SKAO-Rat ist. «Wir arbeiten mit Teleskopanordnungen, die viel empfindlicher und bis zu 130 Mal schneller sind als die derzeit besten Radioteleskope bei vergleichbaren Frequenzen.»
Im Auftrag des Staatssekretariats für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI) hat SKACH bereits Partnerschaften zwischen akademischen, industriellen und technischen Partnern geschlossen, um Fachwissen bei der Entwicklung von fortschrittlichen Empfängern für Parabolantennen, Präzisionszeitmessung, Automatisierung, Signalverarbeitung und Big Data bereitzustellen.
Im Jahr 2022 schloss sich das Schweizer Unternehmen Cosylab, ein führender Anbieter von Kontrollsystemen für einige der komplexesten Projekte der Welt, darunter der Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf, anderen Entwickelnden an, die an der Observatory Management Control Software der SKA-Teleskope arbeiten.
Eine weitere Schweizer Erfolgsgeschichte ist die Lieferung von hochmodernen Atomuhren, die von der Neuenburger Abteilung von Safran Electronics & Defense, ehemals Observatorium Neuenburg, hergestellt wurden. Die Teleskop-Arrays benötigen ultrastabile Uhren, so genannte Wasserstoff-MASER, deren Zeiten kontinuierlich miteinander verglichen werden, um Ausfälle zu erkennen, und die über Satellit mit der UTC-Zeit des Internationalen Büros für Mass und Gewicht verglichen werden.
Das SKAO hat vier Einheiten des iM3000, SAFRAN Active Hydrogen MASER, erworben – hochleistungsfähige MASER mit intelligenter Funktionalität und einer Lebensdauer von mehr als 30 Jahren; die seit 1982 eingesetzten Maser-Uhren funktionieren auch heute noch einwandfrei.
«Wir sind sehr stolz auf unsere Uhren und unsere Partnerschaft mit SKAO. Unsere ersten Kunden kamen vor mehr als 40 Jahren aus der Radioastronomie, und die Herstellung von Uhren für diese Anwendung ist eines unserer Hauptziele. Es ist aufregend, dass unsere Uhren für ein so erstaunliches Projekt verwendet werden und dass der Status der Schweiz in einem so hochpräzisen, technischen Bereich anerkannt wird», sagte Gilles Cibiel-Mahiout, Produktmanager, Abteilung Wissenschaft und Meteorologie bei Safran Electronics & Defense.
Eine Schweizer MASER wird in Südafrika eingesetzt und drei werden nach Australien geliefert, wo beide Einrichtungen einen eigenen MASER-Raum für die Uhren haben werden.
«SKACH stellt sicher, dass die Schweiz in diesem aussergewöhnlichen internationalen Projekt eine herausragende Rolle spielt. Mit SKACH trägt die EPFL dazu bei, ein echtes nationales, multidisziplinäres Zentrum für Weltraumforschung zu schaffen. Ich freue mich darauf, zu sehen, was das nächste Jahrzehnt dieses Projekts bringen wird, insbesondere für junge Forschende, denn unsere Beteiligung am SKA-Observatorium ist eine Gelegenheit, Zugang zu exklusiven SKA-Daten zu erhalten und in einer wirklich globalen Zusammenarbeit zu arbeiten», so Professor Kneib.
Wie die EPFL an diesem spannenden globalen Projekt beteiligt ist
Das Center for Imaging hat an der Entwicklung eines neuen Abbildungsalgorithmus für die Radioastronomie gearbeitet, während die interdisziplinäre LASTRO/SCITAS-Radioastronomiegruppe ein 21cm-Kosmologie-Forschungsprojekt zur Entwicklung neuer Datenreduktions- und Analysetechniken mit der nächsten Generation von Radioastronomieinstrumenten leitet.
EPFL-Forschende sind Teil eines SKA-Co-Design-Teams, das für das Hardware-Design des SKA Science Processing Center verantwortlich ist. Das Team evaluiert ideale Software/Hardware-Paare, um den Datendurchsatz zu maximieren und den Stromverbrauch der SKA-Datenanalyse-Workflows zu minimieren und die Energieeffizienz zu unterstützen.
Kürzlich erreichten die SKACH-Datenwissenschaftlerinnen unter der Leitung des EPFL-Labors für Astrophysik (LASTRO) eine Top-10-Position in einer globalen Data Science Challenge, in der sie simulierte astronomische Daten analysierten, die Milliarden von Jahren durch die kosmische Zeit zurückreichen. Der Wettbewerb war Teil einer Reihe von Tests, mit denen die Radioastronomie-Gemeinschaft auf die riesigen Datensätze vorbereitet werden sollte, die von SKA-Low, dem Teleskop im Westen Australiens, erwartet werden, sobald es in Betrieb ist, und mit denen die effektivsten Methoden zu ihrer Verarbeitung ermittelt werden sollten.
