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SKAO – Osservatorio Square Kilometre Array: Registrare le onde radio dell’Universo
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Super Telescopi
I megaprogetti astronomici che attirano maggiore attenzione sono spesso telescopi che osservano la luce visibile o lunghezze d’onda vicine, perché producono immagini spettacolari. Un esempio è il JWST (James Webb Space Telescope), esaminato in dettaglio in un precedente articolo sui megaprogetti.
Stelle e altri corpi celesti, tuttavia, non emettono segnali soltanto sotto forma di luce visibile. La radioastronomia osserva un’altra parte dello spettro elettromagnetico e permette di studiare fenomeni diversi da quelli registrati con immagini ottiche.
Fonte: SKAO
All’inizio la radioastronomia si affidava ad antenne gigantesche, come quella dell’Osservatorio di Arecibo, larga 305 metri. L’impianto ha cessato le attività dopo il crollo del 2020 ed è apparso in film degli anni Novanta come GoldenEye e Contact.
Fonte: The Meliorist
Un’altra tecnica combina digitalmente i segnali di molte antenne più piccole. Il metodo è chiamato interferometria, o sintesi d’apertura.
In un interferometro, la massima distanza tra le antenne influisce sulla risoluzione angolare teorica, mentre area di raccolta, sensibilità e tempo di osservazione determinano la capacità di rilevare segnali deboli. Aumentare soltanto la distanza non produce automaticamente immagini di alta qualità.
Fonte: NRAO
SKAO (Square Kilometre Array Observatory) usa l’interferometria e sta costruendo per fasi due radiotelescopi distribuiti su vaste aree. Il progetto di riferimento completo prevede le parabole di SKA-Mid in Sudafrica e le antenne a bassa frequenza di SKA-Low nell’Australia occidentale, ma dimensioni effettive e tempi dipendono dai finanziamenti e dal piano di consegna graduale.
Il progetto dovrebbe ampliare notevolmente la capacità di studiare l’Universo nelle onde radio. I risultati scientifici concreti dipenderanno però dalle prestazioni, dalla calibrazione, dalla verifica e dalle osservazioni reali degli array.
Astronomia radio
Karl Jansky rilevò nel 1933 onde radio provenienti dal cielo mentre lavorava ai Bell Telephone Laboratories e ne individuò l’origine nella Via Lattea. L’episodio è considerato l’inizio della radioastronomia moderna.
La disciplina progredì nei decenni successivi. Il Premio Nobel per la fisica del 1974 fu assegnato a Martin Ryle per i contributi alla sintesi d’apertura e ad Antony Hewish per il suo ruolo nella scoperta delle pulsar. Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione che emettono impulsi radio regolari.
Fonte: Nobel Prize
La radioastronomia consente di studiare pulsar, getti di buchi neri supermassicci, idrogeno neutro, resti di supernova e molecole interstellari. Non è corretto affermare che questi oggetti siano sempre osservabili soltanto via radio: la ricerca moderna combina spesso più lunghezze d’onda e metodi.
Molte osservazioni radio possono essere effettuate di giorno e con cielo nuvoloso, e alcune frequenze attraversano la polvere cosmica più facilmente della luce visibile. Altre bande risentono però delle interferenze umane, della ionosfera e del vapore acqueo, quindi non è possibile osservare senza limiti in qualsiasi condizione meteorologica.
Oggi numerosi impianti usano l’interferometria, tra cui il Very Large Array (VLA) con 27 antenne nel Nuovo Messico e l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) con 66 antenne in Cile. Il termine “più grande” può riferirsi al numero di antenne, all’area di raccolta, alla lunghezza delle linee di base o alla banda di frequenza.
Tecnologie e ricerche sull’elaborazione dei segnali sviluppate per la radioastronomia hanno trovato applicazione in molti settori. Attribuire ogni invenzione esclusivamente alla radioastronomia sarebbe però una semplificazione. Alcuni esempi sono:
- Algoritmi di elaborazione dei segnali successivamente applicati al Wi-Fi;
- Tecniche di imaging ed elaborazione dei segnali usate anche nella risonanza magnetica;
- Sistemi di riferimento per la navigazione spaziale e geodesia di precisione collegata a sistemi come il GPS;
- Misurazione precisa del movimento delle placche tettoniche, utile alla ricerca sismica ma non capace di prevedere con certezza i terremoti;
- Amplificatori a basso rumore per radar, telecomunicazioni e telerilevamento;
Storia di SKAO
Il progetto SKA nacque con l’obiettivo di raggiungere, tramite interferometria, una capacità di raccolta equivalente a circa un chilometro quadrato, cioè un milione di metri quadrati. Il nome conserva questo obiettivo storico, anche se il progetto realizzato per fasi non è un’unica antenna continua di un chilometro quadrato.
Questa scala fu proposta per studiare i segnali dell’idrogeno nell’Universo primordiale e la formazione delle prime galassie. Parlare di osservare il periodo circa 100 milioni di anni dopo il Big Bang non significa fotografarlo direttamente in luce visibile, ma analizzare statisticamente segnali radio estremamente deboli.
SKAO riunisce numerosi membri, partner e osservatori. Tra i membri fondatori figuravano Australia, Cina, Italia, Paesi Bassi, Portogallo, Sudafrica e Regno Unito, mentre le forme di partecipazione hanno continuato a cambiare. Le vecchie liste di Paesi non vanno considerate la composizione attuale e definitiva.
Fonte: Wikipedia
Nel 2005 sei proposte di progetto entrarono nella selezione finale e nel 2011 fu istituita formalmente la SKA Organisation. In seguito essa divenne l’attuale osservatorio, un’organizzazione intergovernativa fondata su un trattato.
Fonte: SKAO
Nel 2015 fu pubblicata la raccolta scientifica “Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array”, composta da 135 capitoli e 1.213 autori di 31 nazionalità.
Il trattato dello SKA Observatory fu firmato a Roma nel 2019, definendo il quadro giuridico e le responsabilità dei Paesi partecipanti.
Il Consiglio di SKAO approvò l’inizio della costruzione nel luglio 2021 e nel dicembre 2022 si tennero cerimonie di avvio dei lavori in entrambi i siti. Entro la fine del 2022 erano stati annunciati contratti per circa €500 milioni, mentre la costruzione è proseguita gradualmente.
Il costo iniziale fu stimato in €1,8 miliardi nel 2014. Nel 2021 alcune fonti indicavano che il budget necessario era salito a circa 3 miliardi di dollari. Queste cifre non rappresentano necessariamente il costo finale del progetto di riferimento completo, perché ambito e tempi dipendono da finanziamenti e consegna per fasi.
La pianificazione scientifica e la verifica procedono durante la costruzione, ma il calendario è cambiato rispetto alle previsioni iniziali. Il piano pubblicato prevede la verifica scientifica con array parziali; il completamento del progetto di riferimento con 197 parabole e 512 stazioni non ha ancora una data definita.
Fonte: SKAO
SKA-Low ha prodotto nel 2025 una prima immagine di prova con 1.024 antenne, mentre la prima parabola di SKA-Mid ha captato un segnale astronomico nello stesso anno. Nel gennaio 2026 due parabole hanno ottenuto le prime frange interferometriche. La verifica scientifica è prevista dal 2027 e le prime operazioni a rischio condiviso intorno al 2029; la vecchia affermazione secondo cui il sistema completo sarebbe stato operativo nel 2027 non è più corretta.
Fonte: SKAO
Progettazione di SKAO
Il progetto è diviso tra due continenti: SKA-Mid viene costruito in Sudafrica e SKA-Low nell’Australia occidentale. La sede dell’osservatorio si trova nel Regno Unito.
Fonte: SKAO
La sede britannica è a Jodrell Bank, sito riconosciuto dall’UNESCO come Patrimonio dell’umanità per il suo contributo allo sviluppo della radioastronomia.
Fonte: SKAO
Sudafrica e Australia occidentale sono stati scelti per le vaste aree remote, la minore interferenza radio prodotta dall’uomo e la buona visibilità di regioni importanti del cielo australe. Per mantenere questo vantaggio servono zone di protezione radio e gestione dello spettro.
SKA-Mid
Il progetto di riferimento completo di SKA-Mid intende integrare le 64 antenne esistenti di MeerKAT in Sudafrica e arrivare a 197 parabole orientabili. La prima fase finanziata ne consegna un numero inferiore, mentre l’espansione al progetto completo dipende da ulteriori fondi.
Le antenne esistenti di MeerKAT hanno un diametro di 13,5 metri, mentre le nuove parabole SKA misurano 15 metri. La loro integrazione in un unico sistema è prevista in una fase successiva.
La linea di base massima prevista per SKA-Mid è di circa 150 chilometri. I documenti di progetto indicano per la configurazione completa un’area di raccolta complessiva di circa 33.000 metri quadrati.
Istituzioni di Cina, Australia, Canada, Francia, Germania, Italia, Sudafrica, Spagna, Regno Unito e Svezia hanno contribuito al progetto di SKA-Mid. I componenti vengono prodotti in più Paesi e spediti in Sudafrica per assemblaggio e collaudo.
Le nuove parabole saranno alte circa 22 metri e avranno un diametro di 15 metri, con una superficie riflettente composta da 66 pannelli. Il funzionamento su un’ampia banda richiede grande precisione superficiale, ma i valori variano secondo il componente e il metodo di misurazione.
Fonte: SKAO
I ricevitori, con una massa di circa 160 chilogrammi, trasformano le onde radio in segnali elettrici a basso rumore. I dati vengono poi digitalizzati e inviati tramite fibra ottica agli impianti di elaborazione.
Il diametro di 15 metri rappresenta un compromesso tra campo visivo, sensibilità, precisione e costo. L’idea che antenne più piccole offrano sempre una risoluzione migliore è errata: la risoluzione angolare dell’array dipende soprattutto dalla linea di base e dalla frequenza, mentre il diametro influenza campo visivo e area di raccolta.
Il progetto ha considerato anche i costi di produzione in serie, la velocità d’installazione, le spese operative e di manutenzione e la resistenza a vento forte, stress termico e altre condizioni ambientali.
Fonte: SKAO
Secondo i confronti progettuali pubblicati da SKAO, la configurazione completa di SKA-Mid punta a circa quattro volte la risoluzione, cinque volte la sensibilità e 60 volte la velocità di rilevamento degli impianti di riferimento precedenti. Sono obiettivi basati sul sistema completo e su prestazioni previste, non misure di un sistema già ultimato.
SKA-Low
SKA-Low adotta un progetto molto diverso da SKA-Mid: invece di grandi parabole, impiega un numero molto elevato di antenne fisse per osservare frequenze più basse.
Il progetto di riferimento completo di SKA-Low prevede 131.072 antenne log-periodiche distribuite in 512 stazioni. Ogni antenna è alta circa due metri ed è progettata per osservare da 50 a 350 MHz. La prima fase finanziata arriva a 307 stazioni; l’espansione a 512 dipende da fondi aggiuntivi.
Fonte: ABC
La forma simile a un albero di Natale è progettata per rispondere all’ampia banda tra 50 e 350 MHz. L’espansione dell’Universo può spostare antichi segnali dell’idrogeno neutro verso frequenze inferiori, ma ciò non significa che ogni segnale a bassa frequenza sia antico.
Le antenne non si muovono meccanicamente. Il beamforming combina digitalmente i segnali per dirigere la sensibilità dell’array verso una regione del cielo e, nei limiti della capacità di elaborazione, creare più fasci.
Ogni antenna è collegata a un’unità elettronica che amplifica e combina i segnali. I dati della stazione vengono quindi digitalizzati e trasmessi tramite fibra ottica all’impianto centrale di elaborazione.
I documenti di progetto indicano una grande area di raccolta effettiva per l’array completo e l’articolo originale citava 419.000 metri quadrati. L’area effettiva varia con frequenza e definizione, quindi non va trattata come un’area geometrica costante a tutte le frequenze.
Fonte: SKAO
I confronti progettuali stimano che SKA-Low completo offrirà circa il 25% di risoluzione in più, otto volte la sensibilità e 135 volte la velocità di rilevamento rispetto agli impianti di riferimento esistenti. Sono previsioni per la configurazione finale, non risultati operativi già misurati.
La necessità di produrre, installare e mantenere oltre centomila antenne ha portato SKA-Low a privilegiare strutture senza parti mobili e componenti adatti alla produzione in serie.
Obiettivi di SKAO
SKAO viene costruito per fasi chiamate “array assemblies”. Antenne e stazioni vengono aggiunte gradualmente mentre si verifica l’intero percorso del segnale e aumenta la capacità.
Gli studi del progetto stimano che gli array parziali della fase scientifica potranno rilevare migliaia di pulsar normali e centinaia o circa mille pulsar millisecondo. L’obiettivo di trovare tutte le pulsar galattiche con un fascio diretto verso la Terra è una proiezione per configurazioni avanzate e dipende da sensibilità, copertura e proprietà degli oggetti.
SKA-Low mira a misurare i segnali dell’idrogeno neutro dell’“Alba cosmica” e dell’Epoca della reionizzazione, quando nacquero le prime stelle e galassie e cambiò lo stato del gas intergalattico. La misura è estremamente difficile perché occorre rimuovere emissioni di primo piano molto più intense.
Fonte: SKAO
Confrontando con precisione i tempi d’arrivo degli impulsi di molte pulsar si possono cercare le lente deformazioni dello spaziotempo causate da onde gravitazionali nella banda dei nanohertz. La tecnica integra il LIGO, che osserva frequenze diverse, ma non rileva le onde gravitazionali con lo stesso metodo di LIGO.
I due telescopi potranno essere suddivisi in sotto-array variabili per eseguire più osservazioni in parallelo. La suddivisione riduce però il numero di antenne e la sensibilità disponibili per ciascun esperimento.
Fonte: SKAO
Risultati tecnologici di SKAO
Produzione e impatto economico
La difficoltà ingegneristica consiste nel conciliare alta precisione e produzione ripetuta su larga scala. SKA-Mid richiede numerose parabole, mentre SKA-Low necessita di decine di migliaia di antenne, oltre a elettronica, fibra ottica e software.
Contratti e collaborazioni sono distribuiti tra imprese dei Paesi partecipanti e possono generare trasferimento tecnologico e occupazione locale. L’effetto economico netto varia però con costi, contenuto locale e mantenimento delle competenze dopo i contratti. Alcuni esempi sono:
- L’hardware per distribuire tempo e frequenza è stato sviluppato dalla spagnola Seven Solutions, poi acquisita da Safran Electronics & Defense.
- L’italiana SIRIO Antenne ha ottenuto un contratto per produrre le prime 78.520 antenne in circa due anni e mezzo.
- L’australiana Ventia ha ricevuto un contratto triennale da €125 milioni per realizzare l’infrastruttura di SKA-Low in Australia.
- South Africa Power Adenco, controllata al 51% da Adenco Construction, fornisce fibra ottica, strade e infrastrutture elettriche.
- La svedese AAC Omnisys, controllata di AAC Clyde Space, fornisce ricevitori e strumenti di precisione per rilevare onde radio.
Gestione dei dati
La digitalizzazione dei segnali delle antenne genera un enorme volume di dati da trasmettere, sincronizzare, elaborare e archiviare. La gestione di questi dati è una delle maggiori sfide tecniche del progetto.
I documenti di progetto stimano flussi interni di circa 8 terabit al secondo da SKA-Low all’impianto di elaborazione di Perth e circa 20 terabit al secondo da SKA-Mid in Sudafrica. Sono dati grezzi, ridotti in modo sostanziale prima dell’archiviazione scientifica. I confronti semplici con ALMA dipendono dalla fase e dal punto in cui si misura il flusso.
I segnali arrivano alle singole antenne in istanti leggermente diversi e devono essere allineati tramite riferimenti temporali molto stabili e calibrazione continua. Ciò non significa che ogni dato richieda un orologio atomico separato, ma che il sistema usa una rete integrata di temporizzazione e sincronizzazione.
Dopo correlazione e calibrazione, i dati passano agli Science Data Processors (SDP). I documenti di progetto prevedevano circa 135 petaflop per ciascun sistema, ma configurazione finale e hardware possono cambiare con la consegna per fasi. Anche i confronti con classifiche di supercomputer di un anno specifico diventano rapidamente obsoleti.
Il progetto completo prevede di distribuire o archiviare circa 700 petabyte di dati scientifici all’anno. Il paragone con “1,5 milioni di normali laptop” dipende dalla capacità dei dischi ipotizzata e non descrive la reale architettura di memorizzazione e ridondanza.
Alcuni impianti collegati al calcolo e all’energia usano generazione solare e batterie, con generatori diesel di riserva. Il mix energetico varia da sito a sito e ciò non significa che tutta l’elaborazione mondiale di SKAO sia alimentata dal solare.
Oltre la fase 1 di SKAO
Il prossimo passo per SKAO
Man mano che vengono aggiunte e verificate antenne e stazioni, aumentano sensibilità e capacità di rilevamento. Calibrazione, copertura del cielo, software e finanziamenti impediscono però che la crescita sia sempre una semplice proporzione.
Fonte: SKAO
L’osservatorio è progettato per consentire espansioni future. Il programma attuale è concentrato su Sudafrica e Australia, mentre piani storici hanno menzionato anche array in Botswana, Ghana, Kenya, Madagascar, Mauritius, Mozambico, Namibia e Zambia. Ciò non significa che tutti questi impianti siano oggi oggetto di contratti di costruzione.
Per preparare l’avvio delle osservazioni con array parziali è stata realizzata la raccolta “Advancing Astrophysics II”, che aggiorna i casi d’uso scientifici dell’osservatorio.
Altri radiotelescopi
Gli Stati Uniti stanno progettando il Next Generation Very Large Array (ngVLA) come successore dell’attuale VLA. Il progetto di riferimento distribuisce antenne negli Stati Uniti continentali, alle Hawaii e a Porto Rico e prevede la partecipazione canadese, ma al momento dell’articolo originale non era un array operativo completato.
Fonte: ngVLA
La NASA e il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti stanno sviluppando il LuSEE-Night (Lunar Surface Electromagnetics Experiment) per il lato nascosto della Luna, dove il rumore radio terrestre è minore. Invece di una grande parabola, lo strumento precursore usa quattro monopoli che formano due dipoli incrociati per misurare frequenze inferiori a 50 MHz.
Fonte: Cosmo
Il Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) è un concetto preliminare studiato dal programma NASA Innovative Advanced Concepts, non una missione NASA approvata. La proposta prevede una rete riflettente larga un chilometro in un cratere di tre-cinque chilometri e un ricevitore sospeso sopra di essa tramite cavi.
Fonte: NASA
Conclusione
Molti risultati di SKAO appariranno come mappe, spettri e serie temporali complesse, anziché come normali fotografie a colori. L’osservatorio studierà temi diversi, tra cui stelle di neutroni, buchi neri, gas intergalattico ed evoluzione delle strutture cosmiche.
I risultati possono trasformare la nostra comprensione dell’Universo, ma completeranno osservatori come JWST e non è possibile classificarne l’impatto scientifico prima del completamento. Gli obiettivi comprendono l’Alba cosmica, le verifiche delle teorie gravitazionali, la temporizzazione delle pulsar, l’evoluzione galattica e la ricerca di molecole associate alla vita.
SKAO è anche un progetto industriale e scientifico internazionale che coinvolge migliaia di ricercatori e ingegneri. Può far progredire il rilevamento radio, la sincronizzazione temporale, la fibra ottica, l’elettronica a basso rumore, la produzione di precisione e l’analisi dei dati, ma gli effetti commerciali esterni al progetto devono essere verificati separatamente.
SKAO ha buone probabilità di diventare uno dei progetti di radioastronomia più rappresentativi del XXI secolo. Definirlo già ora “senza dubbio uno dei più importanti e trasformativi” va tuttavia oltre le prove disponibili prima del completamento e della pubblicazione dei risultati scientifici.
Azienda correlata a SKAO
AAC Clyde Space
Numerose aziende partecipano a SKAO. Un contratto può avere un peso relativo elevato per una piccola impresa, ma va valutato rispetto a ricavi complessivi, portafoglio ordini, finanziamento e rischi di esecuzione.
Una di queste è la svedese AAC Clyde Space. Nel 2023 la controllata AAC Omnisys ha annunciato di aver ottenuto il contratto per fornire i ricevitori Banda 1 di SKA-Mid.
Il contratto annunciato vale €12 milioni e prevede la consegna di 80 sistemi di ricezione integrati. Il calendario originario indicava consegne entro il primo trimestre 2027. Secondo i materiali pubblici, ogni ricevitore supera un metro di diametro e pesa circa 180 chilogrammi. L’articolo originale affermava che Qualcomm (QCOM ) avrebbe prodotto il convertitore digitale collegato, ma l’annuncio contrattuale citato non conferma questa affermazione.
Fonte: Chalmers SE
Oltre ai sistemi per radiotelescopi, AAC progetta, produce e gestisce piccoli satelliti. La riduzione di alcuni costi di lancio orbitale sostiene i mercati dei piccoli satelliti e delle costellazioni, il cui esempio più noto è Starlink di SpaceX (SPCX ). La redditività dipende comunque da prezzo di lancio, massa, affidabilità, domanda e autorizzazioni.
L’azienda ha dichiarato di gestire una costellazione di 15 satelliti che fornisce immagini, tracciamento navale, dati per agricoltura di precisione e silvicoltura. Il numero di satelliti operativi cambia nel tempo e la qualità del servizio dipende da vita utile, copertura e domanda dei clienti.
AAC ha presentato piani per ampliare l’offerta “Space Data as a Service” con dati iperspettrali per l’agricoltura e VDES per le comunicazioni marittime. Le scadenze dei documenti strategici possono cambiare e non garantiscono lanci o ricavi in date specifiche.
Fonte: AAC
L’azienda ha partecipato anche a progetti collegati all’Organizzazione europea per l’esercizio dei satelliti meteorologici (EUMETSAT), all’ESA OPS-SAT VOLT per comunicazioni ottiche e quantistiche, al primo satellite scozzese UKube-1 e al satellite di comunicazioni marittime Ymir-1. L’elenco combina contratti passati, missioni operative e progetti futuri.
AAC può beneficiare dell’interesse europeo per capacità spaziali autonome e nuove costellazioni, ma il risultato non è garantito e comporta rischi di finanziamento, esecuzione, lancio, concorrenza e concentrazione dei clienti. Il confronto diretto tra ESA e SpaceX o Rocket Lab (RKLB ) (il link porta a un rapporto d’investimento separato su Rocket Lab) confonde inoltre un’organizzazione intergovernativa con operatori commerciali di lancio.
