Rumbaseret eksperiment vil tackle mysterierne om kosmiske stråler

Den 14. august 2017, en banebrydende University of Maryland-designet kosmisk stråledetektor vil rejse til den internationale rumstation (ISS) ombord på SpaceX-12 Commercial Resupply Service-missionen. Instrumentet, navngivet ISS Cosmic Ray Energetics and Mass (ISS-CREAM), er nogenlunde på størrelse med et køleskab og vil forblive installeret på ISS's japanske eksperimentmodul i mindst tre år. De enorme mængder data, ISS-CREAM vil indsamle, kan afsløre nye detaljer om oprindelsen og mangfoldigheden af ​​kosmiske stråler.

Kosmiske stråler er slet ikke stråler, men meget energiske partikler, der zoomer gennem rummet med næsten lysets hastighed. Partiklerne varierer i størrelse, fra subatomare protoner til atomkerner af grundstoffer som kulstof og bor. Forskere formoder, at partiklerne er stumper af subatomare granatsplinter produceret af supernovaer, men kan også være signaturer af andre katastrofale fænomener.

Uanset deres oprindelse, "kosmiske stråler er direkte prøver af stof uden for vores solsystem - muligvis fra de fjerneste rækker af universet, " sagde Eun-Suk Seo, professor i fysik ved UMD og ledende efterforsker for ISS-CREAM. Seo leder UMD's Cosmic Ray Physics Group og har en fælles ansættelse i UMD Institute for Physical Science and Technology.

ISS-CREAM bygger på mere end ti års arbejde fra Seos forskningsgruppe, som omfatter syv Long-Duration Balloon (LDB) missioner i Antarktis dedikeret til at studere naturen af ​​kosmiske stråler. Hver af disse LDB-missioner blev faciliteret af NASA med yderligere støtte fra National Science Foundation.

Den første, kendt som Cosmic Ray Energetics og Mass I (CREAM I), lanceret i december 2004. CREAM I medbragte instrumenter til at måle energien, oplade, masse og retning af indkommende kosmiske strålepartikler. De følgende fem missioner, også kaldet CREAM og nummereret II-VI, bar den samme grundlæggende række af instrumenter. Den syvende og seneste mission fik et andet navn:Bor og kulstof Kosmiske stråler i den øvre stratosfære (BACCUS). Flyvningen satte rekord for den tidligste sæsonbetonede opsendelse i historien om NASAs LDB-program den 28. november, 2016, og afsluttet 30 dage senere.

ISS-CREAM vil bære en række instrumenter, der ligner sine ballonbårne fætre. Men i modsætning til balloneksperimenterne, ISS-CREAMs detektorer vil have direkte, uhindret adgang til indkommende kosmiske stråler - uden atmosfærisk interferens. Tilbage på jorden, Seo's team vil overvåge operationer døgnet rundt, tage skift for at sikre, at instrumenterne er korrekt kalibreret og indsamle den maksimale mængde data.

Når en kosmisk strålepartikel når Jordens atmosfære, det kolliderer hurtigt med en anden partikel - højst sandsynligt et atom af nitrogen eller oxygen. Dette udløser en kaskade af sekundære partikler, der bærer mindre energi end den oprindelige partikel. Atmosfæren fungerer som et beskyttende filter, bremse farlige kosmiske stråler, før de har en chance for at skade liv og ejendom her på Jordens overflade.

Dette betyder også, at jordbundne kosmiske stråledetektorer kun kan se sekundære partikler. Ved at kredse over atmosfæren, ISS-CREAM løser denne udfordring og tilbyder flere andre fordele sammenlignet med balloneksperimenter.

"For at se primære partikler er vi nødt til at flyve et instrument i rummet. Dette fjerner atmosfærisk baggrund, "Seo forklarede. "Tidligere eksperimenter var også begrænset til lavere energier på grund af nyttelaststørrelsen og flyvevarigheden. ISS-CREAM vil udvide vores målinger til de højest mulige energier og vil give os mulighed for at øge vores eksponering med en størrelsesorden."

ISS-CREAM skal også modstå barske forhold langt ud over dem, man oplever under en ballonmission.

"ISS-CREAM skal overleve en voldsom raketopsendelse. En ballonopsendelse er meget skånsom til sammenligning, "Seo sagde. "ISS-CREAM skal også fortsætte med at arbejde uden reparationer i årevis, mens et balloninstrument kun behøver at holde en måned eller to. Og ethvert rumbaseret eksperiment skal beskyttes mod stråling, hvilket gør alt dyrere og designprocesserne mere krævende."

Kosmiske strålepartikler kunne hjælpe med at løse en af ​​nutidens mest uhåndgribelige videnskabelige gåder:at bestemme karakteren af ​​mørkt stof. Ifølge SEO, teori antyder, at mørkt stof partikler kan kollidere og tilintetgøre hinanden, resulterer i energiske partikler af konventionelt stof, som vi genkender som kosmiske stråler. Hvis denne teori er korrekt, at studere kosmiske stråler kan resultere i lovende spor i søgen efter mørkt stof.

"Kosmiske strålers mystiske natur tjener som en påmindelse om, hvor lidt vi ved om vores univers. Opdagelsen af ​​kosmiske stråler fødte partikelfysikkens felt i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Men ingen menneskeskabt partikelaccelerator kan nå energiniveauer vi ser i kosmiske stråler, "Seo tilføjede. "Vores team har spændt ventet på denne lancering i årevis. Dette er en meget spændende tid for os såvel som andre inden for højenergipartikelastrofysik."