NASAs videnskabelige ballonprogram når nye højder

I årtier, NASA har sluppet enorme videnskabelige balloner ud i Jordens atmosfære, miles over højden af ​​kommercielle flyvninger. Ballonprogrammet forbereder i øjeblikket nye missioner med følsomme instrumenter, inklusive en designet til at undersøge fødslen af ​​vores univers og en anden med ballonoprindelse, der vil flyve på den internationale rumstation.

NASAs primære inflationspolarisationsforsker (PIPER), som vil lancere en række testflyvninger i løbet af de næste par år, kunne bekræfte teorien om, at vores begyndende univers udvidede sig med en billion trillioner (1024) gange umiddelbart efter big bang. Denne hurtige inflation ville have rystet rumtidens struktur, genererer krusninger kaldet gravitationsbølger. Disse bølger, på tur, skulle have produceret påviselige forvrængninger i den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), det tidligste lys i universet blev i dag forlænget til mikrobølger ved kosmisk ekspansion. Mønstrene vises i målinger af, hvordan CMB-lyset er organiseret, en egenskab kaldet polarisering. At opdage vridning, pinwheel-lignende polariseringsmønstre i CMB vil bevise, at inflationen fandt sted og tage astrofysikere tilbage til randen af ​​big bang.

Mens Albert Einsteins teorier præcist beskriver tyngdekraften i nutidens udvidede kosmos, disse store fysiske love gjaldt ikke, da vores univers stadig var på størrelse med et brintatom. For at forlige denne ulighed, PIPER vil kortlægge hele himlen ved fire forskellige frekvenser, skelner mellem vridningsmønstre i CMB (indikerer primordiale gravitationsbølger) og forskellige polarisationssignaler på grund af interstellart støv. For at bevare følsomheden, teleskopet vil flyve nedsænket i en spand flydende helium på størrelse med et spabad, men meget køligere - næsten 457 grader under nul Fahrenheit (minus 272 grader Celsius) og tæt på det absolutte nulpunkt, den koldeste temperatur muligt.

PIPER -missionen blev designet, bygget og testet på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, i samarbejde med Johns Hopkins University i Baltimore, University of British Columbia, Canada, National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado, og Cardiff University i Wales.

"Vi håber på at få indsigt i vores tidlige univers, da det udvidede sig fra subatomær størrelse til større end en planet på mindre end et sekund, " sagde Goddards Al Kogut, PIPERs hovedefterforsker. "Forståelse af inflation øger også vores viden om partikelfysik med høj energi, hvor naturens kræfter virker uadskilleligt fra hinanden."

Mens PIPER forbereder sig på at observere omkring 20 miles over Jorden, den seneste iteration af Cosmic Ray Energetics and Mass (CREAM)-eksperimentet er planlagt til at lancere til rumstationen i august. Selvom CREAM var ballonbåret under sine seks tidligere missioner, den nuværende nyttelast vil føre teknologien forbi Jordens atmosfære og ud i rummet. CREAM vil direkte prøve hurtigt bevægende stof uden for solsystemet, kaldet kosmiske stråler, fra sit nye udsigtspunkt på det japanske eksperimentmodul - Exposed Facility.

Kosmiske stråler er højenergipartikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, og som konstant bruser Jorden. Men præcis hvordan de opstår og accelererer gennem rummet kræver mere undersøgelse, ligesom deres pludselige tilbagegang ved energier højere end 1, 000 billioner elektron volt. Disse partikler er blevet boostet til mere end 100 gange den energi, der kan opnås med verdens mest kraftfulde partikelaccelerator, Large Hadron Collider ved CERN.

CREAM - på størrelse med et køleskab - vil bære renoverede versioner af siliciumladningsdetektorer og ioniseringskalorimeter fra de tidligere ballonmissioner over Antarktis. Orbital-udgaven af ​​CREAM vil indeholde to nye instrumenter:top/bund tælle detektorer, bidraget af Kyungpook National University i Daegu, Sydkorea, og en boreret scintillatordetektor til at skelne elektroner fra protoner, konstrueret af et team fra Goddard, Pennsylvania State University i University Park og Northern Kentucky University i Highland Heights.

Det internationale samarbejde, ledet af fysiker Eun-Suk Seo ved University of Maryland, College Park, omfatter hold fra adskillige institutioner i USA samt samarbejdende institutioner i Republikken Korea, Mexico og Frankrig. Overordnet ledelse og integration af eksperimentet blev ledet af NASA's Wallops Flight Facility på Virginia's Eastern Shore under ledelse af Linda Thompson, CREAM-projektlederen.

Ifølge medforsker Jason Link, et University of Maryland, Forsker i Baltimore County, der arbejder på Goddard, CREAMs udvikling demonstrerer styrken af ​​NASAs ballonprogram som et udviklingstestleje til ruminstrumentering.

"En ballonmission kan gå fra en idé i en videnskabsmands hoved til en flyvende nyttelast på omkring fem år, " sagde Link. "Faktisk, mange videnskabsmænd, der designer eksperimenter til rummissioner, får deres start i ballonflyvning. Det er en kraftfuld træningsplads for forskere og ingeniører."

Som det er tilfældet med enhver kompleks mission, tingene går ikke altid som planlagt. Sådan var tilfældet for eksperimentet med Ballon Experimental Twin Telescope for Infrared Interferometer (BETTII), beregnet til at undersøge kolde genstande, der udsender lys i det langt-infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum.

BETTII blev opsendt den 8. juni fra NASAs Columbia Scientific Balloon Facility i Palæstina, Texas. Selvom næsten alle missionskomponenter fungerede som de skulle, nyttelasten løsnede sig fra sin faldskærm og faldt 130, 000 fod på 12 minutter, da flyvningen sluttede den følgende dag.

BETTII hovedefterforsker Stephen Rinehart hos Goddard vurderer, at det vil tage flere år at sikre finansiering og genopbygge missionen.

Designet, samlet og testet hos Goddard i samarbejde med University of Maryland, Johns Hopkins University, Cardiff University, University College London og Far-Infrared Interferometric Telescope Experiment team i Japan, BETTII er designet til at undersøge lavere infrarøde frekvenser med hidtil uset opløsning. Mens optiske teleskoper som Hubble ikke kan se stjerner indhyllet af tykke støvskyer, langt infrarøde observationer gennemborer sløret, afsløre, hvordan disse objekter dannes og udvikler sig.

"BETTII er et af de mere komplekse balloneksperimenter, der nogensinde er fløjet, " sagde Rinehart. "Som et forskningssamfund, vi forstår, at denne risiko er nødvendig for de videnskabelige og tekniske fremskridt, vi gør med balloner."

Trods alt, ligesom risiko og fiasko går hånd i hånd, så gør risiko og belønning.