HIRAX collabore avec le CERN sur les tests RFI du corrélateur HIRAX

L'Hydrogen Intensity Real-time Analysis eXperiment (HIRAX) a terminé ses tests d'interférence de radiofréquence (RFI) du corrélateur HIRAX au Laboratoire européen de physique des particules (CERN) en Suisse le 17 juin 2021. Le corrélateur a été construit par des partenaires suisses de l'ETH Zürich (ETH-Z) et de l'Université de Genève (UniGe), en collaboration avec des partenaires canadiens de l'Université de Toronto (UofT), grâce à un financement du Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS) et sera installé sur le réseau de 256 disques HIRAX.

HIRAX est un interféromètre radio constitué d'antennes paraboliques de 6 m de diamètre, très rapprochées, qui observent entre 400 et 800 mHz. Ce réseau est actuellement financé jusqu'à 256 paraboles, avec une possibilité d'extension future à 1024 paraboles. Il sera co-localisé avec le Square Kilometer Array sur le site du radiotélescope MeerKAT, exploité par le South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) dans le Karoo, en Afrique du Sud. L'expérience permettra de mener des recherches scientifiques révolutionnaires, notamment dans les domaines de pointe de l'énergie sombre et des sursauts radio rapides (FRB). La collaboration est dirigée par l'Université de KwaZulu-Natal (UKZN) avec sept autres membres du consortium sud-africain et 17 partenaires internationaux. Le projet est actuellement financé par le ministère sud-africain de la science et de l'innovation (DSI) et la National Research Foundation (NRF), le consortium sud-africain HIRAX, l'Université McGill au Canada et un partenariat d'universités suisses avec un financement de la SNF.

Le professeur Kavilan Moodley, chercheur principal de HIRAX et professeur à l'UKZN, a souligné que : "HIRAX est un projet d'astronomie véritablement international avec des partenaires clés à travers le monde qui contribuent au développement de l'instrument."

Les partenaires suisses de l'ETH-Z et de l'UniGe ont passé les deux dernières années à développer le corrélateur HIRAX avec les partenaires HIRAX de l'UofT et de l'UKZN. Il s'agit d'un composant important de l'instrument HIRAX de pointe, qui se compose de matériel et de logiciels personnalisés. Comme son nom l'indique, le corrélateur HIRAX effectue une corrélation croisée des signaux de tous les télescopes formant des visibilités. Le professeur Alexandre Refregier, de l'ETH-Zurich, remarque que : "Le corrélateur numérique HIRAX est un composant clé de HIRAX et nous avons passé les deux dernières années à le construire et à le tester en Suisse avec nos partenaires au Canada et en Afrique du Sud". "Nous sommes très heureux de contribuer à cet élément central de l'interféromètre HIRAX, un instrument qui permettra de nouvelles découvertes cosmologiques", a ajouté le Le professeur Martin Kunz de l'Université de Genève.

L'ingénieur du corrélateur, M. Thierry Viant, explique : "Le système de corrélation est calibré pour recevoir de grands volumes de données en provenance des antennes. Il est construit à partir d'un cluster de cartes de processeurs graphiques (GPU), qui sont transmises à 8 superordinateurs.  Chaque ordinateur est équipé de 1 téraoctet (TB) de mémoire, de 2 GPU pour le calcul de corrélation et de 4 cartes d'interface réseau pour recevoir les entrées de données. Nous avons reçu des résultats crédibles en utilisant le logiciel astronomique dédié, Kotekan, construit par l'UofT."

Crédit : Prof. Chiang, Université McGill. Vue schématique des principaux éléments matériels de l'instrument HIRAX à l'échelle de 1024 paraboles. Les paraboles de l'instrument concentrent les ondes radio sur leur récepteur, les données sont prélevées de chaque parabole, via la radiofréquence sur fibre, pour être numérisées et canalisées. Ensuite, le corrélateur met en corrélation croisée les signaux de toutes les antennes, produisant ainsi les données pour l'analyse scientifique. Le corrélateur GPU (ou X-engine) est représenté par la boîte rouge sur le schéma.

Avant d'être expédié sur le site HIRAX, le corrélateur a dû subir des tests d'interférence de fréquence radio (RFI). On parle de RFI lorsque des fréquences radio indésirables sont détectées dans les données recueillies par un instrument radio, ce qui peut facilement rendre inutilisables les visibilités recueillies. Les interférences radio peuvent être émises par n'importe quel dispositif artificiel capable de produire des signaux dans la bande radio, y compris les téléphones portables, les micro-ondes et même le matériel de l'instrument lui-même.

Le site du radiotélescope MeerKAT est contrôlé par radio, avec des réglementations strictes pour garantir que les instruments hébergés sont protégés des RFI. Étant donné que HIRAX est un instrument invité sur le site SARAO et qu'il partage l'espace avec plusieurs autres projets de radioastronomie, dont MeerKAT, HERA et éventuellement le SKA, il est important que HIRAX protège non seulement ses propres données contre les interférences radioélectriques, mais qu'il soit également un bon voisin pour les autres. Pour ce faire, tous les instruments HIRAX seront soumis à des tests RFI stricts afin de déterminer si un blindage ou d'autres tactiques d'atténuation sont nécessaires pour protéger l'environnement à faible RFI du site.

M. Roufurd Julie, directeur de l'instrumentation invité à SARAO, a commenté l'environnement RFI à SARAO : "En partageant un emplacement avec MeerKAT, HIRAX pourra mener des activités scientifiques dans une zone où les interférences de radiofréquence sont étroitement contrôlées, ce qui a permis à MeerKAT de faire des découvertes scientifiques révolutionnaires depuis son lancement il y a trois ans."

L'ETH a contacté le groupe RF du CERN pour obtenir l'accès aux installations nécessaires aux tests RFI. Les installations du CERN sont entièrement équipées pour effectuer les tests rigoureux nécessaires pour fournir des mesures de pré-qualification, afin d'autoriser le corrélateur HIRAX à être installé sur le site de SARAO. En termes d'environnement électromagnétique, le CERN est un lieu très particulier. On y mesure souvent des picoampères, mais on y produit des dizaines de kiloampères, avec une précision requise inférieure au ppm en courant continu, au voisinage de mégawatts de puissance radiofréquence. La cohabitation de tels dispositifs en termes de compatibilité électromagnétique (CEM) dans les accélérateurs représente un effort technique et scientifique sans fin. Un petit laboratoire CEM hautement spécialisé a été créé pour apporter un soutien à ces cas très spécifiques et difficiles pour les accélérateurs du CERN.

Le professeur Daniel Valuch, du CERN, a commenté les essais du corrélateur HIRAX en ces termes : "Aucun des deux problèmes suivis jusqu'à présent par notre laboratoire CEM n'était identique. Nous nous penchons généralement sur des problèmes très spécifiques et obscurs au cœur des accélérateurs - tels que les signaux pulsés, les interactions entre les câbles, les champs basse fréquence, les champs haute fréquence, les perturbations des dispositifs ultra-précis et les faisceaux de particules. Mesurer les émissions RF du corrélateur HIRAX, un puissant système de calcul, était sans aucun doute une nouvelle expérience intéressante pour notre petit laboratoire CEM."

Les résultats des tests RFI ont été très encourageants et ont montré que les RFI émis par le corrélateur étaient beaucoup plus faibles que prévu. Selon nos premières indications, le niveau de blindage RF du corrélateur sur le site HIRAX n'aura pas besoin d'être important. Corrie Ungerer, ingénieur du projet HIRAX et responsable du groupe de travail RFI, a précisé que " les tests ont été effectués dans la gamme de 200 MHz à 14 GHz. Le professeur Daniel Valuch du CERN a été d'une grande aide et, avec M. Thierry Viant de l'ETH, ces tests ont été réalisés en peu de temps. Les résultats ont été très encourageants, avec une seule zone de préoccupation identifiée. Des tests de suivi sont envisagés pour identifier et étudier l'équipement en cause. Une fois ces tests de suivi effectués, certaines mesures d'atténuation seront mises en œuvre."