Piezoelektrisk lighter, der svæver over Sydpolen, kan hjælpe med at finde en mystisk kilde til kosmisk energi

Svævende omkring 23 miles over Sydpolen, et eksperiment fra University of Kansas slynget fra en vejrballon i høj højde beregner, hvordan overfladen af ​​Antarktis reflekterer radiosignaler forårsaget af ultrahøjenergi kosmiske stråler.

Hi-Cal (High-Altitude Calibration) eksperimentet går rundt om Sydpolen, slæbende hundredvis af miles bag endnu en klynge af instrumenter fastspændt til en meget større ballon, kaldet ANITA (til Antarctic Impulsive Transient Antenna, og finansieret af NASA siden 2003). Det ultimative eksperimentelle mål er at måle ultrahøjenergi neutrinoer og ultrahøjenergi kosmiske stråler, der interagerer i den antarktiske is, eller med jordens atmosfære, skabe radiobølger.

For at forstå formålet med Hi-Cal, det første er nøglen til at forstå ANITAs forskningsmission.

"ANITA-eksperimentet er at detektere kosmiske stråler med ultrahøj energi, og disse detekteres i kraft af den radiofrekvente stråling, der produceres, når en kosmisk stråle rammer et terrestrisk molekyle - der skaber spray af snavs inklusive partikler og radiofrekvent stråling, " sagde David Besson, professor i fysik og astronomi ved KU, som leder Hi-Cal-teamet.

Besson sagde, at de nedadgående kosmiske stråler genererer radiofrekvenser detekteret af ANITA primært som overfladerefleksioner, hopper op fra overfladen af ​​Antarktis.

"For at forstå egenskaberne fra de radiofrekvenser ANITA indsamler, du skal forstå overfladereflektiviteten, " sagde Besson.

Det er her Hi-Cal-eksperimentet, der drives af KU, kommer i spil.

"Hi-Cal er et ledsagende eksperiment, der flyver overalt fra 125 til 620 miles bag hovednyttelasten og sender et ping, " sagde Besson. "Den radiofrekvens-ping, som har en varighed på 10 til 20 nanosekunder, detekteres af ANITA, der kommer direkte fra Hi-Cal-senderen samt fra overfladereflektion fra Antarktis. Ved at se på forholdet mellem de to signaler kan du udlede overfladeegenskaberne af antarktisk sne."

Mens den førende ANITA-ballon er fyldt med tusindvis af dollars af højteknologisk gadgets, den opfølgende Hi-Cal-ballon bruger en piezoelektrisk lighter, som enhver kunne købe i en byggemarked som sin ping-enhed.

"Hjertet i Hi-Cal-projektet er en grilltænder til $10, " sagde Besson. "Det er en meget smart idé, som et par kandidatstuderende viste kunne arbejde. Da vi tændte for det i den første mission for tre år siden, ANITA registrerede straks signaler fra Hi-Cal 500 miles væk. Fordelen ved Antarktis er, at det er så radiostøjsvagt, dette er muligt – her i Lawrence, Kansas, det ville være udfordrende med så meget radiostøj."

I modsætning til lightere med flintmekanisme, piezoelektriske lightere virker, når de komprimeres mekanisk og pludselig frigives.

"Den lagrede mekaniske energi, hvis du tænker på det som en fjeder, viser sig som en meget høj spænding, " sagde Besson. "Med denne piezoelektriske lighter, vi var i stand til at generere spændinger, der var så meget som $20, 000 signalgeneratorer, du skal bestille. Ulempen er, at det kræver finjustering for at optimere."

Finansieret med $230, 000 af NASA-midler for omkring tre år siden, Hi-Cal ballonen med dens grill-lighter ping har fløjet tre eksperimentelle missioner i en søgen efter bedre at forstå Antarktis' reflektivitet over for radiofrekvenser. Nøgleforskere ved KU, der arbejder på eksperimentet, inkluderer Steven Prohira, Sasha Novikov, Jessica Stockham og Mark Stockham.

"Vi har en lancering hvert par år, " sagde Besson. "Ballonen går op og cirkler rundt. I Antarktis, der er den cirkumpolære hvirvel. Hvis du sender en ballon, den flyver i en cirkel rundt om pælen, indtil vinden begynder at føre den væk fra kontinentet og mod havet. Når det sker, du sender det et signal om at droppe ANITA-nyttelasten. Denne seneste nyttelast blev droppet i januar sidste år, og lige nu er der et recovery-team med to medlemmer fra KU, der henter den eksperimentelle hardware. De flyver til stedet med Twin Otter-fly og jager efter det."

Den mindre Hi-Cal nyttelast gendannes ikke. Besson sagde, at den sidste flyvning med Hi-Cal varede i omkring 10 dage. Begge eksperimenter vil flyve i tandem igen i 2020.

"Vi forsøger at kalibrere Antarktis, " sagde Besson. "Hvis du kan forstå Antarktis reflektivitet, du kunne lave en nøjagtig måling af energispektret for hver kosmisk stråle i dens overfladereflektion. Du har brug for denne måling for at udfolde effekter af overfladereflektivitet."

Ifølge KU-forskeren. efterhånden som forskerne bag både Hi-Cal og ANITA samler flere data, de håber at være i stand til at opdage kilden til de ultrahøjenergiske kosmiske stråler.

"Dette er en af ​​de store hellige grale i moderne kosmisk strålefysik, kaldet partikelastrofysik, " sagde han. "Den hellige gral er at identificere et punkt på himlen, der producerer meget højenergiske kosmiske stråler, men folk har haft begrænset succes. Der er nogle beviser fra andre eksperimenter på, at en type radiostærk galakse kaldet en blazar kan rumme et supermassivt sort hul i centrum. En anden kilde kunne være et gammastråleudbrud. Vi håber, at dette arbejde kan hjælpe med at indsnævre kilden - du skal kende overfladereflektionsegenskaber for at få det billede."

Besson foreslog, at ANITA for nylig kan være landet på et endnu dybere mysterium.

"De har opdaget en klasse af begivenheder, som ikke synes at passe til hverken kosmisk stråleproton eller kosmisk stråle neutrinoproces - deres kilde er bestemt et puslespil, " sagde han. "ANITA er det eneste eksperiment, der har opdaget denne klasse af begivenheder. Der var en meddelelse fra ANITA og et par opfølgende teoripapirer for nylig."