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SKA Science Data Challenge, el reto científico ante la llegada del radiotelescopio más grande del mundo

Rhinno

SKA Science Data Challenge, el reto científico ante la llegada del radiotelescopio más grande del mundo

Beatriz Varona | ago 10, 2021

SKA, llamado así por sus siglas en inglés (Square Kilometer Array), es el proyecto internacional del que será el radiotelescopio más grande jamás construido. Una vez terminado, tendrá un área de recolección de más de un kilómetro cuadrado. SKA va a funcionar en una amplia gama de frecuencias, y su gran tamaño lo hará 50 veces más sensible que cualquier otro instrumento de radio.

Este radiotelescopio está siendo construido en el hemisferio sur, debido a que hay menos interferencias de radio, concretamente en Australia y Sudáfrica. Tras muchos años de trabajo, el proyecto Square Kilometer Array constituye uno de los grandes retos científicos y tecnológicos de la historia, suponiendo una auténtica revolución científica que marcará el inicio de una nueva era en el campo de la radioastronomía.

Recreación artística de SKA en Sudáfrica. Fuente: skatelescope.org

La planificación de SKA comenzó en la década de 1990, pero no fue hasta finales de la década de 2010 cuando comenzó a desarrollarse y diseñarse. En la construcción de SKA participan 16 países, entre ellos España, desde junio de 2018. También se cuenta con ocho países socios en África, que pretenden apoyar la futura expansión del proyecto en este continente.

En marzo de 2019, en Roma, se creó el nuevo Observatorio SKA, llamado SKAO, Square Kilometer Array Observatory, cuya sede se encuentra en Reino Unido, concretamente en el Jodrell Bank Observatory, aunque la entrada en vigor y fecha oficial del nacimiento de SKAO fue el pasado 15 de enero de 2021. SKAO fue fundado en un principio por Australia, Italia, Holanda, Portugal, Sudáfrica y Reino Unido, pero se espera que se vayan uniendo más países próximamente.

Países miembros de la Organización SKA, SKAO y socios de África. Fuente: skatelescope.org

SKAO es la segunda organización internacional del mundo dedicada a la astronomía, y se espera que se vayan uniendo más países en el futuro. La principal finalidad de este observatorio va a ser construir y operar las instalaciones.

SKA cuenta con dos fases de construcción, aunque la segunda fase está sujeta al desarrollo satisfactorio de la primera fase. En la primera fase, el telescopio de SKAO va a tener 197 antenas parabólicas de media-alta frecuencia (dishes) de unos 15 metros de diámetro, que se ubicarán en la región de Karoo, una zona semidesértica en Sudáfrica. Otras 131.072 antenas de baja frecuencia (aperture array o conjuntos de apertura) de dos metros de altura, se situarán en el Murchison Radio-astronomy Observatory, perteneciente a la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), en Australia. De las 197 antenas con las que se va a contar en Sudáfrica, 64 ya están construidas, y están siendo operadas por el South African Radio Astronomy Observatory (SARAO).

Recreación artística de las antenas de baja frecuencia, aperture arrays,  en Australia con el radiotelescopio ASKAP de fondo. Fuente: skatelescope.org

En la segunda fase se espera que se puedan construir también antenas (aperture arrays) de media frecuencia en Sudáfrica. Finalmente, las antenas de media-alta frecuencia, las parabólicas, se situarán cubriendo miles de kilómetros en África a lo largo de varios países, mientras que las antenas de baja y media frecuencia (aperture arrays), se van a concentrar en núcleos de unos 200 kilómetros de extensión, tanto en Australia como en África.

Cada antena individual tomará imágenes, que se combinarán con las imágenes obtenidas por el resto de antenas, con el objetivo de obtener imágenes de mayor resolución. Esta técnica, llamada interferometría, es muy eficiente e innovadora, y supone un abaratamiento considerable en los costes de construcción en comparación con la construcción de gigantescos radiotelescopios clásicos, como el famoso Telescopio de Arecibo, ya inoperativo. 

La construcción completa de SKA se espera que dure aún varios años. Una vez terminado, este proyecto sin precedentes se prevé que permita estudiar el cielo con gran detalle, mucho más rápido que cualquier sistema existente hasta la fecha, pudiendo superar incluso la resolución de la imagen del Telescopio Espacial Hubble.

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SKA Science Data Challenge

En 2018 se lanzó el primer Science Data Challenge, o SDC1, con una muestra de las imágenes altamente detalladas que producirá SKA. El desafío consistía en analizar una serie de imágenes de alta resolución creadas a través de simulaciones de datos para encontrar, identificar y clasificar una serie de fuentes.

El objetivo principal de este Challenge era preparar a la comunidad científica para el tipo de datos que se van a recibir de las observaciones de SKA, así como recopilar información acerca de procedimientos utilizados en la reducción y el análisis de las imágenes.

Parte de una de las imágenes simuladas del SDC1, que muestra la misma región del cielo, a una frecuencia de 1,4 GHz, con diferente tiempo de observación: 8, 100, 1000 horas, de izquierda a derecha. Fuente: astronomers.skatelescope.org
 
El primer Science Data Challenge constaba de nueve imágenes grandes, en formato FITS, cada una de aproximadamente 32.000 píxeles en cada lado y 4 GB de tamaño. Muestran cómo las antenas de frecuencia media del SKA, que se ubicará en Sudáfrica, verán el cielo en tres frecuencias diferentes de radio (560 MHz, 1.4 GHz y 9.2 GHz), y en tres profundidades de tiempo de observación: 8, 100 y 1000 horas.
 
 
Una imagen del SKA Science Data Challenge, que muestra un núcleo galáctico activo (AGN) como si fuese observado por SKA a una frecuencia media, de 1,4 GHz. Fuente: skatelescope.org
 
Las imágenes del SKA estaban llenas de fuentes y, al tratarse además de imágenes grandes, el proceso debía de automatizarse.
 
SKA Science Data Challenge 2
A finales del año 2020 se anunció el segundo desafío de SKA, el SKA Science Data Challenge 2, o SDC2. Este desafío consiste en analizar un cubo de datos simulados de 1 TB de tamaño en un área del cielo de 20 grados cuadrados. En el cubo se encuentran casi un cuarto de millón de galaxias, y representa una posible observación de SKA de la emisión de hidrógeno neutro o “HI”, unas zonas que emiten precisamente en la longitud de onda del radio y pueden ser detectadas por radiotelescopios. El objetivo principal, por tanto, es encontrar y caracterizar regiones de hidrógeno neutro o “HI” en este conjunto de datos simulados.
 
 
Cubo de datos simulado de SDC2, antes de agregar ruido y efectos instrumentales. Fuente: sdc2.astronomers.skatelescope.org
 

El conjunto de datos del desafío es una simulación de lo que podría ver SKA a una distancia de unos 4.000 millones de años luz. Una de las funciones de SKA en el futuro será buscar zonas de HI y poder estudiar la formación de las primeras galaxias, solo unos 380.000 años tras el Big Bang.

En este desafío se apuntaron 40 equipos, con un total de 276 participantes, que representan a 80 institutos y 23 países. Entre los participantes, tenemos la suerte de estar nosotros, Techedge, a través de su equipo Rhinno Labs, junto con el Instituto Astrofísico de Canarias (IAC).
 
 
Participantes de SKA Data Challenge 2. Fuente: sdc2.astronomers.skatelescope.org
 
Se trata de un conjunto de datos muy grande por lo que, lo ideal, al igual que en el SDC1, es automatizar los procesos. Los equipos participantes también tienen acceso a instalaciones informáticas de alto rendimiento para poder procesar los datos proporcionados por los organizadores del challenge.
 
 
Mapa de los centros informáticos de alto rendimiento que participan en SDC2. Fuente: SKAO/Philippa Hartley
 

El plazo límite para completar el desafío es el verano de 2021. Esperamos que los resultados y los códigos proporcionados por todos los participantes, tanto del SDC1, como del SDC2, o incluso de futuros desafíos, puedan ser de utilidad para la comunidad científica a la hora de procesar la gran cantidad de datos que aportará SKA en el futuro. 

SKA se utilizará también para resolver cuestiones en varios campos, como en astrofísica, física fundamental, cosmología, astrofísica de partículas, o para estudiar el Universo observable. Este proyecto pretende arrojar datos sobre las etapas tempranas del Universo, así como la formación y evolución de las primeras galaxias, y quién sabe qué más descubrimientos hará SKA en el futuro, tendremos que esperar para averiguarlo.

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