Steward Observatory ballonmission slår NASA rekord 22 miles over Antarktis

For 58 dage siden, en næsten vindstille morgen på Ross Ice Shelf, fløj en ballon på størrelse med en stadion over Antarktis med langt infrarød teknologi fra University of Arizonas Steward Observatory på jagt efter spor om stjernernes livscyklus i vores galakse og videre.

GUSTO – en forkortelse for Galactic / Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory – har nu slået rekorden som NASAs længst flyvende heavy-lift ballonmission, der tidligere var på 55 dage, 1 time og 34 minutter. I øjeblikket kører den enorme nultryksballon på stratosfæriske luftstrømme 120.000 fod over det antarktiske kontinent og samler langt infrarøde radioemissioner fra stof mellem stjerner. GUSTO overgik den tidligere rekord klokken 10:22 lørdag Tucson-tid.

De svage terahertz-signaler, som GUSTO søger – med frekvenser op til en million gange højere end bølgerne fra en FM-radio – absorberes let af vanddamp i jordens atmosfære, før de kan nå jordbaserede teleskoper. Kun meget tørre eller højtliggende steder er velegnede til observatorier, der fanger nogle af disse undvigende fotoner, såsom den høje Atacama-ørken og Sydpolen.

I søgen efter tørrere forhold "er vi drevet til at tage til flere og mere fjerntliggende steder," sagde Steward Observatory astronomiprofessor Chris Walker, hovedefterforsker for GUSTO-missionen, som har arbejdet på teleskopprojekter i Antarktis siden 1994. Ballonvidenskab åbner nyt muligheder for det hurtigt udviklende felt af terahertz-spektroskopi, der gør det muligt for observatører at indsamle langt infrarøde signaler, før de går tabt i de lavere lag af atmosfæren, til en brøkdel af prisen for et fuldt rumbaseret teleskop.

Ballonteleskoper som GUSTO forener styrken af ​​rumobservation med nærheden af ​​jordbaserede operationer, og de kommer med unikke udfordringer. En vellykket opsendelse kræver et perfekt vejrvindue med lave vindhastigheder både på jorden og i stratosfæren.

Når forholdene tillader det, er selve opsendelsen et højdramatisk skue. Støt lastbiler kørt ud på ishylden, rør helium ind i ballonen, som klapper og klapper "som et sejl", mens den fyldes, sagde Walker. "Du begynder at høre suset fra helium, når ballonen puster sig op, og når de slipper den, buldrer den, mens den folder sig ud." Dette er en spinkel tid - hvis der er en ufuldkommenhed eller en vindforskydning, kan ballonen gå i stykker. Om det rekordstore projekt sagde Walker "ballonflyvning er det sværeste, jeg har gjort professionelt, men det er også det mest givende."

Hvis alt går vel – som det gjorde for GUSTO – løfter ballonen teleskopet inde i dens specialiserede gondol og fører det 22 miles over Jorden til den fjerne søm mellem stratosfæren og rummet. Herfra stoler astronomer på de cirkulære vindstrømme over det antarktiske kontinent under sommeren på den sydlige halvkugle til at bære ballonen i brede sløjfer og indsamle lyssignaturerne fra kosmiske kemikalier.

Ombord på GUSTO indsamler emissionslinjedetektorer molekylær information om det interstellare medium - den kosmiske gas og støv mellem stjerner, der føder nye stjerner og galakser.

"Vi var alle en del af det interstellare medium - hvert atom og molekyle i din krop var på et tidspunkt gas og støv, der strømmede mellem stjernerne," sagde Walker. For at komplicere tingene, er universets kemi anderledes i dag, end den var efter big bang. For at forstå historien om stjernedannelse i universet – og i forlængelse heraf historien om vores egen oprindelse – er astronomer interesserede i at sammenligne sammensætningen af ​​det interstellare medium i galakser af forskellige aldre.

GUSTO sigter på at kortlægge fordeling af kulstof, ilt og nitrogen i den unge Mælkevej og i den nærliggende Store Magellanske Sky, som har karakteristika, der kan sammenlignes med meget ældre galakser. En sammenligning af de to galakser vil hjælpe GUSTO-holdet med at levere den første komplette spektroskopiske undersøgelse af alle faser af stjernens livscyklus, fra udviklingen af ​​interstellare gasskyer, til dannelsen af ​​stjernernes planteskoler, til fødslen og udviklingen af ​​stjerner.

GUSTO-missionen har rejst en lang vej for at nå stratosfæren. Walkers team indsendte et forslag til NASA Explorer Program i 2014, og projektet blev udvalgt af NASA i 2017. Gondolen til missionen blev bygget af Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory; Walkers team fra Steward Observatory ved UArizona leverede teleskopet og instrumenteringen – kaldet "nyttelasten" – og arbejdede sammen med forskellige partnere, herunder NASA's Jet Propulsion Laboratory.

I august 2023 udførte GUSTO-holdet en hængningstest på NASA Columbia Scientific Balloon Facility i Palæstina, Texas. Derfra rejste den fuldt integrerede gondol og nyttelast, der vejede nogenlunde lige så meget som en SUV, til Antarktis ombord på et NASA C-130H fragtfly - første gang en ballonmission blev sendt fuldt samlet med fly. I Antarktis tilbragte GUSTO-teamet efterårs- og vintermånederne med at tage daglige 12 kilometer lange ture fra McMurdo Station til hangaren for at forberede teleskopet til opsendelse og rejste ombord på antarktiske varevogne med kolossale lavtryksdæk henover det frosne terræn.

Den 31. december, et årti efter at GUSTO-holdet havde indsendt sit forskningsforslag, blev missionen søsat midt i lav vind og klar himmel, og den hvide ballon bølgede op på baggrund af det iskolde Mount Erebus.

På UArizona-campus fortsætter GUSTO-forskere med at træne udholdenhed under ekstreme forhold. Mens mange medlemmer af GUSTO-teamet rejste til McMurdo Station for at forberede sig til missionens lancering, "udsatte Craig Kulesa, Steward Observatory associeret forskningsprofessor og GUSTO stedfortrædende hovedforsker, til Applied Research Building på UArizona campus," sagde Walker. Derfra, i et vinduesløst rum, betjener Kulesa nyttelasten under flyvningen, og sover ofte på gulvet og deler kontrollerne med et Steward Observatory-hold.

Data ankommer i realtid gennem et mangfoldigt netværk af telekommunikationsteknologier, herunder geosynkrone satellitter, Iridium og StarLink. GUSTO-teammedlemmer hos UArizona og Johns Hopkins arbejder døgnet rundt for at overvåge og fjernadministrere henholdsvis instrumenteringen og gondolen. En 24-timers Zoom-linje forbinder partnere på tværs af kontinenter, fra Harvard til Holland.

Walker viste et live-feed af GUSTOs flyvesti og viste stien, som ballonen allerede har rejst over det 5,4 millioner kvadratkilometer store kontinent, hver gang i en anden farve på skærmen. Missionen har ingen fastsat dato for landing – for første gang har NASA givet tilladelse til, at ballonen kan flyve, så længe den kan, selvom den forvilder sig ud over kanten af ​​det antarktiske kontinent eller lander, hvor den ikke kan hentes.

Det bliver den længste stratosfæriske heavy-lift ballonmission i historien. Af den rekordstore flyvning.

"GUSTO har bevist, at balloner kan bruges til at udføre virkelig banebrydende videnskab, ikke bare for et par dage, men over uger og ugers tid," sagde Walker.

Længden af ​​flyvningen vil i sidste ende blive dikteret af, hvor længe kølesystemet kan køre (ombord forventes en flydende heliumtank at vare ind i marts) og af ændringen i temperatur, når antarktiske dage begynder at blive kortere. Balloner som GUSTO kan kun flyve langvarige missioner om sommeren i polarområder, hvor ballonen forbliver i konstant sollys og ikke synker i den kølende natteluft.

De overlappende blå, grønne og røde signaturer af GUSTOs flyveløkker vises små på Walkers skærm, men de repræsenterer et enormt skridt i terahertz-astronomi:4.800 pund UArizona-teknologi bevæger sig i den yderste kant af atmosfæren i længere tid end nogensinde før.

Hvis Walkers næste forskningsforslag går igennem, kan den samme instrumentering i øjeblikket ombord på GUSTO blive testet i rummet i jagten på de undvigende langt infrarøde signaturer af planetdannende systemer og beboelige zoner.

"Hvis du ikke skubber til kanten, hvad er så meningen?" sagde Walker.

Leveret af University of Arizona