Forskere støtter projekt til at opdage partikler fra det dybe rum på NASAs ballonmission

Et team af forskere ved University of Alabama i Huntsville (UAH) er blevet tildelt NASA-midler som en del af en stor, fem år langt amerikansk samarbejde om at flyve en ultralang ballonmission med tre innovative ultrafølsomme teleskoper til at fornemme kosmiske stråler og neutrinoer, der kommer fra det dybe rum. Planlagt til lancering i 2022, anden generation af Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon (EUSO-SPB2) er et stort skridt mod en planlagt mission for at sende en sonde til rummet.

"UAH har været involveret i denne forskning i over 20 år, med videnskaben, der oprindeligt blev ledet her af den afdøde fysikprofessor Yoshi Takahashi, " siger Dr. Patrick Reardon, der fungerer som direktør for UAH's Center for Applied Optics (CAO) og som hovedforsker for UAH -indsatsen. "Siden da, et hold fra CAO, herunder optisk designer Ken Pitalo og flere studerende, har skabt og testet nogle ekstraordinære optiske designs."

Videnskaben, der driver denne undersøgelse, er en søgning efter kilden til ultrahøje energipartikler fra rummet, der ramte vores jord. En type af disse partikler er kosmiske stråler:subatomære kerner, der bevæger sig fra alle retninger i rummet, accelereret af supernovaer og andre ukendte kosmiske fænomener. På samme måde mystiske er neutrinoer, "spøgelsespartiklerne", der passerer gennem os hele tiden, for det meste uopdaget.

Selvom der er meget, vi ikke ved om neutrinoer, den mest presserende bekymring er, hvor de kommer fra. Alt, hvad man ved, er, at baseret på undersøgelser ved Pierre Auger Observatory i Argentina, de mest energiske kosmiske stråler, der rammer Jorden, kommer fra ud over vores egen galakse. De mest ekstreme kosmiske stråler og neutrinoer giver flest spor til deres oprindelse og rejser, fordi de kan modstå virkningerne af magnetfelter i rummet, der kurver svagere partiklers veje. Det er, hvad dette nye NASA-finansierede balloneksperiment vil jagte.

"Dette program vil hjælpe os med at løse det store mysterium om, hvor i universet disse meget energiske partikler kommer fra, og hvordan de eventuelt kunne laves, " siger Dr. Angela Olinto, University of Chicago Albert A. Michelson Distinguished Service Professor i Astronomi og Astrofysik og hovedefterforsker af samarbejdet.

Fordi der er relativt få kosmiske partikler, der kolliderer med Jorden, EUSO-SPB2 registrerer dem ikke direkte. I stedet, det ballonbårne eksperiment vil lede efter sporene af ultraviolet og synligt lys (fotoner), der genereres i partiklernes kølvand, når de flyver gennem jordens atmosfære. For at øge sandsynligheden for at få data om partiklerne, det vil blive placeret i en højde af 100, 000 fod, høj nok til at overvåge en stor mængde af vores atmosfære.

Udfordringen, imidlertid, er ved at designe et optisk system, der tager hensyn til både det begrænsede antal fotoner, der genereres, og den meget høje hastighed, hvormed billederne skal erhverves. Det skal ikke kun have langt mere lysindsamlingskraft end NASAs James Webb Space Telescope (JWST), men den skal også passe på og løftes af en ballon.

"Selvom JWST har et massivt primært samlespejl, der er 6,4 meter, eller 20 fod, i diameter, dens synsfelt er kun 0,3 gange 0,15 grader, " siger Dr. Reardon. "Derimod, mens EUSO-SPB2 bruger optik med et opsamlingsområde, der kun er 1 meter i diameter, dens synsfelt er 45 gange 5 grader." Multiplicer opsamlingsområdet med synsfeltet, og UAH-systemet har omkring 100 gange så meget som JWST.

Ifølge Dr. Reardon, det er præcis den slags projekt, som CAO har den optiske ingeniørekspertise til. "Først skal vi omdanne de videnskabelige behov til praktiske optiske specifikationer, " siger han. "Så designer vi optikken, sikre, at de med succes kan fremstilles og samles." I nogle tilfælde, disse optikker produceres på stedet hos UAH. Efter det, han fortsætter, "Vi udvikler tilpasnings- og testinstrumenter og -procedurer, og endda hjælpe med udrulningen af ​​systemet." Det er de muligheder, som CAO bringer til hvert projekt.

Udover at designe og sikre, at optikken er korrekt samlet, CAO arbejder sammen med Dr. James Adams og Dr. Evgeny Kuznetsov fra UAH's Center for Space Plasma and Aeronomic Research for at understøtte strømsystemerne, detektor udvikling, og jordprøver, som alle er afgørende for missionens succes.

Ballonen på størrelse med fodboldbanen, som kan rejse i månedsvis 30 miles ind i atmosfæren med de banebrydende 30, 000-pund observatorium, vil bære op til tre af disse teleskoper - hver enkelt indstillet til at lede efter specifikke egenskaber, der hjælper med at identificere de kosmiske partikler. Missionen vil starte fra New Zealand, så ballonen kan tage en tur på den polare jetstrøm, der kredser om den nederste del af kloden. Målet er, at ballonen skal foretage flere ture rundt i Antarktis i løbet af 100 eller flere dage.

Flyvningen vil give proof of concept for den planlagte Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA), et par satellitter i kredsløb med samme evner, men med flere størrelsesordener mere følsomhed. UAH er en del af et team af forskere og NASA -ingeniører under ledelse af Dr. Olinto, der designer POEMMA -missionen til overvejelse i 2020 Astronomy and Astrophysics Survey, en videnskabelig prioritering for årtiet ledet af National Academy of Sciences.