SuperTIGER ballon flyver igen for at studere tunge kosmiske partikler

Et videnskabshold i Antarktis forbereder sig på at løfte et ballonbåret instrument for at indsamle information om kosmiske stråler, højenergipartikler fra hinsides solsystemet, der kommer ind i Jordens atmosfære hvert øjeblik af hver dag. Instrumentet, kaldet Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER), er designet til at studere sjældne tunge kerner, som har spor om, hvor og hvordan kosmiske stråler opnår hastigheder op til næsten lysets hastighed.

Lanceringen forventes den 10. december, vejret tillader det.

"Den forrige flyvning af SuperTIGER varede 55 dage, sætter rekord for den længste flyvning af enhver videnskabelig ballon med tunge løft, " sagde Robert Binns, hovedefterforskeren ved Washington University i St. Louis, som leder missionen. "Tiden i luften blev oversat til en lang eksponering, hvilket er vigtigt, fordi de partikler, vi leder efter, kun udgør en lille brøkdel af kosmiske stråler."

De mest almindelige kosmiske strålepartikler er protoner eller brintkerner, udgør omkring 90 procent, efterfulgt af heliumkerner (8 procent) og elektroner (1 procent). Resten indeholder kerner af andre grundstoffer, med et svindende antal tunge kerner, efterhånden som deres masse stiger. Med SuperTIGER, forskere leder efter de sjældneste af de sjældne-såkaldte ultratunge kosmiske strålekerner ud over jern, fra kobolt til barium.

"Tunge elementer, som guldet i dine smykker, fremstilles gennem særlige processer i stjerner, og SuperTIGER har til formål at hjælpe os med at forstå, hvordan og hvor dette sker, " sagde hovedmedforsker John Mitchell ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi er alle stjernestøv, men at finde ud af, hvor og hvordan dette stjernestøv er lavet, hjælper os til bedre at forstå vores galakse og vores plads i den."

Når en kosmisk stråle rammer kernen i et molekyle af atmosfærisk gas, begge eksploderer i et brusebad af subatomære granater, der udløser en kaskade af partikelkollisioner. Nogle af disse sekundære partikler når detektorer på jorden, give information forskere kan bruge til at udlede egenskaberne af den oprindelige kosmiske stråle. Men de producerer også en forstyrrende baggrund, der er stærkt reduceret af flyvende instrumenter på videnskabelige balloner, som når højder på næsten 130, 000 fod (40, 000 meter) og flyder over 99,5 procent af atmosfæren.

De mest massive stjerner smeder elementer op til jern i deres kerne og eksploderer derefter som supernovaer, spredning af materialet i rummet. Eksplosionerne skaber også forhold, der resulterer i en kort, intens oversvømmelse af subatomære partikler kaldet neutroner. Mange af disse neutroner kan "klæbe" til jernkerner. Nogle af dem henfalder efterfølgende til protoner, producerer nye grundstoffer, der er tungere end jern.

Supernova-eksplosionsbølger giver det boost, der gør disse partikler til højenergiske kosmiske stråler. Når en chokbølge udvider sig ud i rummet, det fanger og accelererer partikler, indtil de når energier, der er så ekstreme, at de ikke længere kan holdes tilbage.

I løbet af de sidste to årtier, beviser akkumuleret fra detektorer på NASAs Advanced Composition Explorer-satellit og SuperTIGERs forgænger, det ballonbårne TIGER-instrument, har gjort det muligt for videnskabsmænd at udarbejde et generelt billede af kosmiske strålekilder. Omtrent 20 procent af de kosmiske stråler mentes at stamme fra massive stjerner og supernovaaffald. mens 80 procent kom fra interstellart støv og gas med kemiske mængder svarende til det, der findes i solsystemet.

"Inden for de sidste par år, det er blevet tydeligt, at nogle eller alle de meget neutronrige grundstoffer, der er tungere end jern, kan produceres af neutronstjernefusioner i stedet for supernovaer, " sagde medforsker Jason Link hos Goddard.

Neutronstjerner er de tætteste objekter forskere kan studere direkte, de knuste kerner af massive stjerner, der eksploderede som supernovaer. Neutronstjerner, der kredser om hinanden i binære systemer, udsender gravitationsbølger, som er krusninger i rumtiden forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori. Disse bølger fjerner orbital energi, får stjernerne til at trække stadig tættere på, indtil de til sidst styrter sammen og smelter sammen.

Teoretikere beregnede, at disse begivenheder ville være så tykke af neutroner, at de kunne være ansvarlige for de fleste af de meget neutronrige kosmiske stråler, der er tungere end nikkel. Den 17. aug. NASAs Fermi Gamma-ray rumteleskop og National Science Foundations laserinterferometer gravitationsbølgeobservatorium opdagede de første lys- og gravitationsbølger fra styrtende neutronstjerner. Senere observationer fra Hubble- og Spitzer-rumteleskoperne indikerer, at der blev dannet store mængder tunge grundstoffer under begivenheden.

"Det er muligt, at neutronstjernefusioner er den dominerende kilde til tunge, neutronrige kosmiske stråler, men forskellige teoretiske modeller producerer forskellige mængder af grundstoffer og deres isotoper, " sagde Binns. "Den eneste måde at vælge mellem dem er at måle, hvad der virkelig er derude, og det er, hvad vi vil gøre med SuperTIGER."