NASA-missionen vil studere kosmos med en stratosfærisk ballon

Arbejdet er begyndt på en ambitiøs ny mission, der vil bære et banebrydende 8,4 fod (2,5 meter) teleskop højt ind i stratosfæren på en ballon. Foreløbig planlagt opsendelse i december 2023 fra Antarktis, ASTHROS (forkortelse for Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-bølgelængder) vil bruge omkring tre uger på at drive på luftstrømme over det iskolde sydlige kontinent og opnå adskillige førstepladser undervejs.

Administreret af NASA's Jet Propulsion Laboratory, ASTHROS observerer langt infrarødt lys, eller lys med bølgelængder meget længere end hvad der er synligt for det menneskelige øje. At gøre det, ASTHROS skal nå en højde på omkring 130, 000 fod (24,6 miles, eller 40 kilometer) - cirka fire gange højere end kommercielle flyselskaber. Selvom det stadig er et godt stykke under rummets grænse (ca. 62 miles, eller 100 kilometer, over jordens overflade), den vil være høj nok til at observere lysbølgelængder blokeret af Jordens atmosfære.

Missionsholdet lagde for nylig sidste hånd på designet til observatoriets nyttelast, som inkluderer dets teleskop (som fanger lyset), dets videnskabelige instrument, og sådanne undersystemer som køle- og elektroniske systemer. I begyndelsen af ​​august, ingeniører hos JPL vil begynde integration og test af disse undersystemer for at verificere, at de fungerer som forventet.

Selvom balloner kan virke som gammeldags teknologi, de tilbyder NASA unikke fordele i forhold til jord- eller rumbaserede missioner. NASA's Scientific Balloon Program har fungeret i 30 år på Wallops Flight Facility i Virginia. Det lancerer 10 til 15 missioner om året fra steder rundt om i verden til støtte for eksperimenter på tværs af alle NASAs videnskabsdiscipliner, samt til teknologiudvikling og uddannelsesformål. Ballonmissioner har ikke kun lavere omkostninger sammenlignet med rummissioner, de har også kortere tid mellem tidlig planlægning og implementering, hvilket betyder, at de kan acceptere de højere risici forbundet med at bruge nye eller avancerede teknologier, der endnu ikke er fløjet i rummet. Disse risici kan komme i form af ukendte tekniske eller operationelle udfordringer, der kan påvirke en missions videnskabelige output. Ved at arbejde igennem disse udfordringer, ballonmissioner kan sætte scenen for fremtidige missioner for at høste fordelene af disse nye teknologier.

"Ballonmissioner som ASTHROS er højere risiko end rummissioner, men giver høje belønninger til beskedne omkostninger, " sagde JPL-ingeniør Jose Siles, projektleder for ASTHROS. "Med ASTHROS, vi sigter mod at lave astrofysiske observationer, som aldrig er blevet forsøgt før. Missionen vil bane vejen for fremtidige rummissioner ved at teste nye teknologier og give træning til den næste generation af ingeniører og videnskabsmænd."

Infrarøde øjne i himlen

ASTHROS vil bære et instrument til at måle gassens bevægelse og hastighed omkring nydannede stjerner. Under flyvning, missionen vil studere fire hovedmål, herunder to stjernedannende områder i Mælkevejsgalaksen. Det vil også for første gang detektere og kortlægge tilstedeværelsen af ​​to specifikke typer nitrogenioner (atomer, der har mistet nogle elektroner). Disse nitrogenioner kan afsløre steder, hvor vinde fra massive stjerner og supernovaeksplosioner har omformet gasskyerne i disse stjernedannende områder.

I en proces kendt som stjernefeedback, sådanne voldsomme udbrud kan, gennem millioner af år, sprede det omgivende materiale og hindre stjernedannelsen eller standse den helt. Men stjernefeedback kan også få materiale til at klumpe sammen, accelererende stjernedannelse. Uden denne proces, al den tilgængelige gas og støv i galakser som vores egen ville være smeltet sammen til stjerner for længe siden.

ASTHROS vil lave de første detaljerede 3-D kort over tætheden, hastighed, og bevægelse af gas i disse områder for at se, hvordan de nyfødte kæmper påvirker deres moderkagemateriale. Ved at gøre det, holdet håber at få indsigt i, hvordan stjernernes feedback fungerer, og at give ny information til at forfine computersimuleringer af galakseudviklingen.

Et tredje mål for ASTHROS vil være galaksen Messier 83. Observation af tegn på stjernefeedback der vil gøre det muligt for ASTHROS-holdet at få dybere indsigt i dens effekt på forskellige typer galakser. "Jeg tror, ​​det er forstået, at stjernefeedback er den vigtigste regulator for stjernedannelse gennem universets historie, " sagde JPL videnskabsmand Jorge Pineda, hovedefterforsker af ASTHROS. "Computersimuleringer af galakseudvikling kan stadig ikke helt kopiere den virkelighed, vi ser ude i kosmos. Den nitrogenkortlægning, som vi vil lave med ASTHROS, er aldrig blevet udført før, og det bliver spændende at se, hvordan den information hjælper med at gøre disse modeller mere nøjagtige."

Endelig, som dets fjerde mål, ASTHROS vil observere TW Hydrae, en ung stjerne omgivet af en bred skive af støv og gas, hvor planeter kan dannes. Med sine unikke egenskaber, ASTHROS vil måle den samlede masse af denne protoplanetariske skive og vise, hvordan denne masse er fordelt overalt. Disse observationer kan potentielt afsløre steder, hvor støvet klumper sig sammen og danner planeter. At lære mere om protoplanetariske diske kan hjælpe astronomer med at forstå, hvordan forskellige typer planeter dannes i unge solsystemer.

En ophøjet tilgang

For at gøre alt dette, ASTHROS will need a big balloon:When fully inflated with helium, it will be about 400 feet (150 meters) wide, or about the size of a football stadium. A gondola beneath the balloon will carry the instrument and the lightweight telescope, which consists of an 8.4-foot (2.5-meter) dish antenna as well as a series of mirrors, lenses, and detectors designed and optimized to capture far-infrared light. Thanks to the dish, ASTHROS tied for the largest telescope to ever fly on a high-altitude balloon. During flight, scientists will be able to precisely control the direction that the telescope points and download the data in real-time using satellite links.

Because far-infrared instruments need to be kept very cold, many missions carry liquid helium to cool them. ASTHROS will instead rely on a cryocooler, which uses electricity (supplied by ASTHROS' solar panels) to keep the superconducting detectors close to minus 451.3 degrees Fahrenheit (minus 268.5 degrees Celsius)—a little above absolute zero, the coldest temperature matter can reach. The cryocooler weighs much less than the large liquid helium container that ASTHROS would need to keep its instrument cold for the entire mission. That means the payload is considerably lighter and the mission's lifetime is no longer limited by how much liquid helium is on board.

The team expects the balloon will complete two or three loops around the South Pole in about 21 to 28 days, carried by prevailing stratospheric winds. Once the science mission is complete, operators will send flight termination commands that separate the gondola, which is connected to a parachute, from the balloon. The parachute returns the gondola to the ground so that the telescope can be recovered and refurbished to fly again.

"We will launch ASTHROS to the edge of space from the most remote and harsh part of our planet, " said Siles. "If you stop to think about it, it's really challenging, which makes it so exciting at the same time."