NASAs stratosfæriske ballonmission får teleskop med kæmpe spejl

Teleskoper designet til at fungere i rummet skal være konstrueret anderledes end dem, der er beregnet til at fungere på jorden. Men hvad med teleskoper, der opererer imellem?

En kommende NASA-mission vil bruge en ballon, der er større end en fodboldbane, til at sende et teleskop 130.000 fod (ca. 40.000 meter) over Antarktis. Fra den højde vil teleskopet studere et fænomen, der kvæler stjernedannelse i nogle galakser og effektivt dræber dem.

Missionen, kaldet Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-bølgelængder, eller ASTHROS, vil bruge et primært spejl (dette teleskops vigtigste lysindsamlingsværktøj), der er bundet til det største nogensinde til at flyve på en ballon i høj højde. Konstruktionen af ​​det 8,2 fod (2,5 meter) spejl blev afsluttet i denne måned. At designe og bygge det viste sig at være udfordrende på grund af to nøglekrav:Spejlet og dets støttestruktur skal være usædvanligt lette til at rejse med ballon, men alligevel stærk nok til at forhindre, at Jordens tyngdekraft deformerer dens næsten perfekte parabolske form med mere end omkring 0,0001 tommer (2,5 mikrometer) - en brøkdel af bredden af ​​et menneskehår.

ASTHROS, der styres af NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien, er indstillet til at lancere tidligst i december 2023 og cirkulere Sydpolen i op til fire uger. NASA's Scientific Balloon Program, der drives af agenturets Wallops Flight Facility i Virginia, udsender 10 til 15 ballonmissioner hvert år. Disse missioner koster typisk mindre end rummissioner og tager kortere tid at flytte fra tidlig planlægning til implementering, og de anvender nye teknologier, der kan bruges på fremtidige rummissioner.

Højt oppe i stratosfæren vil ASTHROS observere bølgelængder af lys, der er blokeret af Jordens atmosfære, i et område kaldet langt-infrarødt. Dets store spejl vil forbedre teleskopets evne til at observere svagere lyskilder og løse finere detaljer om disse kilder.

Disse evner er afgørende for missionens tilgang til at studere stjernefeedback, den proces, hvorved skyer af gas og støv - ingredienserne til at lave stjerner - spredes i galakser, nogle gange til det punkt, at stjernedannelsen stopper helt. Mange processer bidrager til feedback, herunder udbrud fra levende stjerner og eksplosive dødsfald af massive stjerner som supernovaer. ASTHROS vil se på adskillige stjernedannende områder i vores galakse, hvor disse processer finder sted, og skabe højopløselige 3D-kort over gassens fordeling og bevægelse. Missionen vil også se på fjerne galakser, der indeholder millioner af stjerner, for at se, hvordan feedback udspiller sig i stor skala og i forskellige miljøer.

"It's difficult to explore feedback all the way from where it originates, at the scale of individual stars, to where it has an effect, on the scale of galaxies," said Jorge Pineda, principal investigator for ASTHROS at JPL. "With a large mirror we can connect those two."

Meeting the challenge

NASA contracted Media Lario, an optics company in Italy, to design and produce ASTHROS's full telescope unit, including a primary mirror, secondary mirror, and supporting structure (called the cradle). Media Lario had previously developed a unique method for manufacturing lightweight infrared and optical telescope mirrors, which the company used to produce many of the panels for the primary mirrors of the Atacama Large Millimeter Array, a group of 66 ground-based telescopes in Chile.

The ASTHROS primary mirror features nine panels, which are significantly easier to fabricate than a one-piece mirror. The bulk of the mirror panels consist of lightweight aluminum, formed into a honeycomb structure that reduces its total mass. The panel surfaces are made of nickel and coated with gold, which improves the mirror's reflectivity at far-infrared wavelengths.

Because the ASTHROS team won't be able to fine-tune the alignment of the panels once the telescope lifts off, the cradle supporting the mirror needs to be lightweight yet exceptionally strong and rigid to prevent any deformation. Carbon fiber would do the trick. So, to build the cradle and other structural components, Media Lario turned to local companies in Italy that typically produce specialized structures for competitive racing boats and cars.

"I think this is probably the most complex telescope ever built for a high-altitude balloon mission," said Jose Siles, the ASTHROS project manager at JPL. "We had specifications similar to a space telescope but on a tighter budget, schedule, and mass. We had to combine techniques from ground-based telescopes that observe in similar wavelengths with advanced manufacturing techniques used for professional racing sailboats. It's pretty unique."

Media Lario will deliver the full telescope unit to NASA in late July. After that, the ASTHROS team will integrate it with the gondola (the structure that holds the entire payload and attaches to the balloon) and other key components. Then they'll begin a series of tests to ensure everything is ready for flight. + Udforsk yderligere

NASA mission will study the cosmos with a stratospheric balloon