Revista >> Ianuarie - Februarie 2023 [Nr. 251] >> Cercetare & Invatamant superior

ISS, avanpost românesc în cercetarea spațială de elită. Institutul are o contribuție cheie la misiunea LISA de detecție a undelor gravitaționale în spațiu

Daniel Butnariu

15 Februarie 2023

Implicarea Institutului de Științe Spațiale (ISS) într-una dintre cele mai mari misiuni din portofoliul Agenției Spațiale Europene (ESA) plasează comunitatea de cercetare din România în avangarda unui domeniu științific cu potențial vast pe termen lung: observarea și interpretarea undelor gravitaționale detectate cu ajutorul unei constelații de sateliți care ar urma să fie lansată pe orbită în 2034. Inclusă în grupul select al celor trei misiuni ESA de clasă L (Large), misiunea LISA (Laser Interferometer Space Antenna) este coordonată de un consorțiu care reunește eforturile a peste 1.650 de membri din 16 țări cu contribuție directă în proiect și 10 țări asociate. România este reprezentată în acest consorțiu de ISS, cu susținerea Agenției Spațiale Române (ROSA), institutul fiind activ pe mai multe direcții de dezvoltare: elaborarea de studii științifice, procesare de date și inteligență artificială, dezvoltarea unor echipamente esențiale pentru ghidajul sateliților si înființarea unui centru de date dedicat pe platforma de la Măgurele, integrat în rețeaua distribuită de control și gestiune a proiectului. Calendarul operațiunilor, complexitatea și obiectivele misiunii solicită angajamentul total al participanților pentru următorii 20 de ani și mai bine, iar echipa ISS și-a dovedit deja expertiza și capabilitățile necesare pentru succesul unui proiect care tocmai și-a accelerat ritmul de activitate.

Undeva departe, la distanțe pe care știința le poate cuprinde doar cu un șir nesfârșit de zerouri și în unități de măsură îndepărtate de referințele vieții cotidiene, coliziunea a două găuri negre a tulburat cândva țesătura universului. Un astfel de cataclism la scară cu adevărat cosmică generează unde gravitaționale care radiază precum valurile concentrice purtate spre maluri după ce am aruncat o piatră într-un lac adormit, distorsionând în ritmul valsului lor spațiul și timpul. Pentru o lungă perioadă, acest spectacol spațial s-a bazat doar pe resursele imaginației, hrănită de forța Teoriei Relativității Generalizate, formulată la începutul secolului trecut de Albert Einstein. Existența undelor gravitaționale anticipată teoretic de Einstein a avut nevoie de o sută de ani ca să își găsească o confirmare cu ajutorul detectorului LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) în cadrul unui experiment desfășurat în Statele Unite, în 2015. Doi ani mai târziu, echipa care a detectat undele gravitaționale a primit premiul Nobel pentru această descoperire, iar după încă un an, la începutul lui 2018, ESA anunța lansarea programului dedicat misiunii LISA.
Așa cum a fost prezentată anterior, cronologia succintă a demersului științific dedicat observării undelor gravitaționale nu își propune să identifice toate inițiativele care au condus la apariția misiunii LISA, ci doar să reproducă viteza cu care comunitatea științifică internațională și-a concentrat eforturile (și fondurile) pentru studierea unui fenomen cu totul aparte. În acest context, contribuția ISS la dezvoltarea LISA dobândește relevanța cuvenită unei implicări de prestigiu pentru cercetătorii români. După cum explică membrii echipei ISS, ne aflăm într-un moment asemănător celui în care Heinrich Hertz a dovedit existența undelor gravitaționale prefigurate de teoriile lui James Clerk Maxwell. În acea perioadă, avangarda inovației o reprezenta efortul de îmbunătățire a motorului cu aburi, iar undele electromagnetice erau doar o noțiune abstractă fără aplicabilitate în viața de fiecare zi. Este foarte probabil ca detectarea experimentală a undelor gravitaționale să fie doar primul pas dintr-un șir de descoperiri cu un impact incalculabil asupra modului în care vedem lumea și interpretăm fenomenele naturale.

Un trio unic în univers
În esență, misiunea LISA își propune să reproducă în spațiu experimentele prin care au fost detectate undele gravitaționale la sol, la observatoarele LIGO (Statele Unite) și VIRGO (Italia) însă cu o precizie de identificare și durată de observare a semnalelor de unde gravitaționale ce nu se pot atinge la sol. În vreme ce observatoarele terestre au utilizat o configurație L cu două brațe perpendiculare lungi de 4 kilometri (LIGO), respectiv 3 kilometri (VIRGO), conceptul avansat de LISA presupune plasarea pe orbită a trei sateliți într-o formație triunghiulară, cu fiecare latură măsurând 2,5 milioane de kilometri. Adică o distanță de circa șase ori mai mare decât cea de la Pământ la Lună.
Conformația LISA va da astfel naștere unui interferometru laser de înaltă precizie, care va detecta undele gravitaționale într-o gamă complementară înregistrărilor efectuate la sol, un prim pas esențial în studierea aprofundată a unor fenomene cosmice majore legate de formarea materiei și galaxiilor, proprietățile și comportamentul găurilor negre, structura și natura spațiului și timpului.

De altfel, LISA este racordată la nivelul observației științifice cu altă misiune ESA de clasă „Large”, ATHENA (Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics), care va opera în raze X, ceea ce îi va permite să extindă gama de observații în direcția coliziunii dintre două găuri negre pe baza alertelor emise de sateliții LISA. Inițiată în 2014, la doi ani după anunțarea misiunii JUICE (JUpiter Icy moons Explorer) – prima dintre cele trei misiuni ESA de clasă „Large” derulate în cadrul Programului Cosmic Vision –, ATHENA s-a confruntat cu o serie de dificultăți care au determinat reluarea fazei de design, drept urmare misiunea LISA a devenit prioritară în calendarul ESA. Deși lansarea este în continuare programată pentru 2034, faza de adoptare formală a misiunii LISA, „Mission
Adoption”, a fost devansată din 2024 pentru anul în curs, ceea ce pune o presiune suplimentară pe segmentele asumate de specialiștii ISS.

Competențe confirmate…
Susținerea ESA și implicarea în proiect a agențiilor spațiale din Statele Unite ale Americii (NASA) și Japonia (JAXA) conferă misiunii LISA un statut proeminent la nivelul cercetării internaționale, reflectându-se implicit asupra rolului jucat de cercetătorii români în acest proiect. După cum subliniază dr. Sorin Ion Zgură, directorul institutului: „România participă prin ISS la misiunea LISA încă de la început, echipele noastre de cercetare fiind implicate în toate fazele de până acum. Această implicare onorează ISS la cel mai înalt nivel, responsabilizând în același timp membrii tuturor grupurilor de cercetare care activează fie în cadrul misiunii, fie pe teme conexe.”
Din perspectivă strategică, misiunea LISA se încadrează în eforturile concentrate de reafirmare a Europei drept putere tehnologică de referință, o direcție care se pliază perfect pe profilul aplicativ pronunțat al activităților ISS: „Nivelul participării ISS în cadrul misiunii LISA reflectă, pe de o parte, tradiția institutului în dezvoltarea de produse inovatoare cu nivel înalt de maturitate tehnologică și, pe de altă parte, parteneriatele științifice cu instituții de prim rang la nivel internațional. Echipa de cercetători care susține participarea institutului în misiunea LISA are o bogată experiență internațională, la cel mai înalt nivel, ce reiese atât din rezultatele științifice obținute până acum, cât și din numeroasele proiecte europene coordonate”, declară dr. Sorin Ion Zgură.

…și competențe dezvoltate
Pornind de la experiența câștigată în timp și confirmată în multiple proiecte naționale și internaționale, echipa ISS explorează prin implicarea în misiunea LISA noi direcții de acțiune și expertiză, de la aplicarea standardelor ESA în dezvoltarea de echipamente specializate, până la elaborarea unor unelte software avansate de analiză de date, cu un impact care depășește granițele formale ale proiectului spațial de detectare a undelor gravitaționale.

„Din activitatea asumată de ISS prin studii de laborator și prototipul senzorului CAS (Constellation Acquisition Sensor) dezvoltat în cadrul institutului rezultă parteneriate științifice și tehnologice, care includ chiar și acorduri exclusive NDA (Non-Disclosure Agreements), ceea ce poziționează ISS în avangarda cercetărilor științifice și dezvoltărilor tehnologice”, spune directorul ISS. „De exemplu, o parte din rezultatele preliminare legate de dezvoltarea senzorului CAS deschid calea pentru noi dezvoltări tehnologice de interes în proiecte naționale și internaționale aflate în derulare sau în faza de pregătire în domeniul comunicațiilor cuantice de tip free-space quantum link și space quantum communication infrastructure, cum este proiectul național Quantec și proiectul european RoNaQCI, finanțat în cadrul programului Horizon al Comisiei Europene.”
Noile competențe dobândite pe parcursul derulării misiunii LISA se referă în egală măsură la strategia de formare a unei noi generații de cercetători și la oportunitățile de producție pe plan național a unor componente de înaltă specializare, având în vedere rolul suplimentar al ISS de liant între ESA și sectorul industrial din România. „Componenta formativă ocupă un loc important între prioritățile noastre, deoarece temele de cercetare conexe misiunii LISA sunt de maxim interes pentru mediul academic românesc, în ISS fiind elaborate teze de licență, master și doctorat pe aceste subiecte, în care sunt implicați studenți de la diverse universități”, afirmă dr. Sorin Ion Zgură. „Merită menționate și invitațiile deschise de participare în proiecte, așa-numitele Invitations to Tender, publicate frecvent de ESA sau cele emise de ISS, care au reliefat un interes major pe zona de dezvoltare tehnologică și colaborare cu zona industrială.”

Navigând după stele
Ilustrativă pentru conexiunea stabilită de ISS între comunitatea furnizorilor acreditați ESA și companiile românești, dezvoltarea demonstratorului de laborator (Engineering Model) al senzorului CAS (Constellation Acquisition Sensor) a integrat începând de anul trecut contribuția firmei românești ProOptica, specializată mai ales în echipamente optice și de control de înaltă precizie pentru industria de armament. Demonstratorul CAS reprezintă faza care anticipează validarea formatului final al senzorului CAS, certificând conformarea la toate specificațiile tehnice de funcționalitate ESA.
„Încă de la începuturile misiunii LISA, ne-am dorit să lucrăm la dezvoltarea de la zero a unui sistem sau subsistem, trecând prin toate fazele procesului, de la modelul de laborator (Bench Model) pentru verificarea conceptului selectat și conformarea la cerințele ESA, urmat de demonstratorul CAS care trebuie să fie identic ca funcții și dimensiuni cu sistemul CAS final chiar dacă nu utilizează materiale validate pentru spațiu, și până la prototipul de omologare (Qualification Model), care odată ce trece de toate testele devine tiparul de referință pentru sistemul CAS de zbor (Flight Model) care ajunge în spațiu”, explică dr. Eugeniu Mihnea Popescu, conducătorul laboratorului ISS de Astrofizică, Fizica Energiilor Înalte și Tehnologii Avansate. Destinația urmărită de ISS în acest moment este avansarea senzorului CAS până la un nivel de maturitate tehnologică TRL 5-6, conform normelor ESA. Următorul pas pe calea producerii unui echipament de zbor instalat pe satelit va fi făcut sub coordonarea integratorilor selectați pentru misiunea LISA și va implica mai mulți parteneri din industria românească.
Rolul senzorului CAS este esențial în poziționarea cu succes a celor trei sateliți LISA, care trebuie să fie perfect aliniați nu doar în planul triunghiular, ci și în raport cu amplasamentul lor în spațiu. „Misiunea LISA va opera în apropierea punctului Lagrange optim pentru observarea spațiului îndepărtat, astfel că determinarea poziției sateliților și amplasamentul lor reprezintă o operațiune extrem de complexă, rezolvată cu o soluție care reproduce modul în care se făcea navigația cu sute de ani în urmă, după stele”, spune dr. Eugeniu Mihnea Popescu. „Doar că acum nu mai folosim un astrolab, ci ne raportăm la poziția constelațiilor fixe cu ajutorul senzorului CAS, un echipament asemănător sistemelor de navigație spațială (Star Trackers) utilizate deja de sateliți, dar mult mai evoluat și mai precis.”
Pentru ISS, importanța dezvoltării senzorului CAS nu este neapărat relevată de comparația cu alte sisteme spațiale de ghidaj și navigație, ci reiese din capacitatea institutului de a dezvolta cu succes o componentă specializată cu un regim particular de utilizare. „La final, înainte de lansarea misiunii pe orbită, trebuie să avem 13 senzori CAS identici, câte patru pentru fiecare satelit, asigurând redundanța necesară unui sistem atât de complex, plus încă un senzor la sol, păstrat ca referință dacă au loc incidente în timpul execuției misiunii.”

În avangarda analizei de date
Dacă precizia viitorului interferometru spațial este strâns legată de performanțele misiunii anterioare, LISA-Pathfinder, care a validat conceptul detectării în spațiu a undelor gravitaționale cu ajutorul unor mase de test aflate în cădere liberă, pe palierul analizei datelor ce vor fi înregistrate de misiunea LISA eforturile membrilor consorțiului se concentrează pe demonstrarea fezabilității sistemelor de simulare si analiză de date.
La acest capitol, echipa ISS condusă de dr. Laurențiu Ioan Caramete, șeful Laboratorului de Cosmologie și Fizica Astroparticulelor, a marcat câteva progrese notabile, reușind să elaboreze o unealtă performantă de analiză – Deep Learning Toolkit for Gravitational Waves Analysis (GWEEP) –, bazată pe rețele neurale și inteligență artificială. Cercetătorii au profitat de infrastructura institutului pentru a antrena pe un server dedicat din cadrul centrului de calcul ISS trei rețele cu caracteristici diferite, una dintre ele reușind să identifice toate datele dintr-un set special conceput la nivelul consorțiului LISA. „Între provocările pe care le primim spre analiză, avem date pentru care sunt detaliate toate componentele, dar există și date blind pentru care nu știi nimic și la care trebuie să identifici fiecare componentă în parte”, explică dr. Laurențiu Ioan Caramete. „În testele pe care le-am efectuat până în prezent, rețeaua neurală RNN (Recurrent) a avut o rată de succes foarte mare pentru datele blind. La fel de important, odată ce este finalizată antrenarea rețelei pe server, un proces care poate dura între 12 și 24 de ore, rularea aplicației poate fi făcută și pe un laptop, iar analiza unui set de date echivalând cu un an de înregistrări durează doar câteva secunde.”

Performanța este cu atât mai valoroasă cu cât unul dintre obiectivele misiunii este de a asigura o interpretare cât mai rapidă și exactă a semnalelor înregistrate de sateliți, inițiativă urmărită în cadrul pachetului de lucru „Low-latency analysis pipeline” condus de dr. Laurențiu Ioan Caramete în colaborare cu un partener de la NASA. Procesarea rapidă a datelor va permite transmiterea unor alerte în cel mai scurt timp către alte infrastructuri spațiale, indiferent dacă se află pe orbită (ATHENA) sau la sol (LIGO, VIRGO), susținând conceptul de „astronomie multi-messenger” care integrează surse multiple de semnal în cercetarea universului.
Reușita echipei ISS este acum extinsă într-o direcție strategică nu doar pentru misiunea LISA, ci pentru întreaga comunitate științifică la nivel mondial: quantum computing. „Calculatoarele cuantice au capacitatea de a analiza date extrem de complexe într-un interval foarte scurt de timp, iar noi am încercat să aplicăm această vastă putere de calcul pentru datele spațiale, în special cele legate de undele gravitaționale care vor fi detectate de LISA”, spune dr. Laurențiu Ioan Caramete. „Vorbim despre un adevărat salt cuantic, Quantum Leap, iar într-un material deja publicat am demonstrat că se poate face analiză de date de unde gravitaționale cu calculatoare cuantice. Colega noastră Maria Ișfan are deja mai multe certificări în zona quantum computing, iar miza noastră este să rafinăm uneltele de analiză în acest ecosistem: pe simulatoarele de calculatoare cuantice, metoda de analiză rulează foarte bine, dar pe calculatoarele cuantice reale, precum cele dezvoltate de IBM, avem de îmbunătățit câteva aspecte pe partea de zgomot.”

Construcții pe termen lung
După cum atrage atenția dr. Sorin Ion Zgură, aplicațiile quantum computing și tehnologiile cuantice în general sunt de maxim interes pentru România și la nivel internațional: „Spre deosebire de numeroase proiecte care urmăresc rezultate de tip proof-of-concept sau diverse investigații exploratorii, misiunea LISA aduce o provocare tehnologică majoră căreia comunitatea trebuie să-i ofere un răspuns pe măsură. În acest sens, grupurile de cercetare din ISS lucrează atât pe zona de quantum computing, utilizând infrastructuri de calcul din întreaga lume, cât și pe zona tehnologiilor cuantice conexe, cum sunt cele dezvoltate în cadrul centrului Quantec.”
Tocmai de aceea, activitatea ISS în aria quantum computing și implicarea în misiunea LISA se intersectează cu o preocupare majoră pentru institut: formarea unei noi generații de specialiști, deopotrivă ancorată în cele mai avansate tendințe științifice ale momentului și angajată în proiecte de anvergură pe termen lung.