Een nieuw experiment voor een lancering op 14 augustus naar het internationale ruimtestation ISS zal een ongekende kijk geven op een regen van deeltjes uit de verre ruimte, kosmische straling genoemd, die onze planeet voortdurend overspoelt. De Cosmic Ray Energetics And Mass-missie bestemd voor het International Space Station (ISS-CREAM) is ontworpen om de hoogste energiedeeltjes te meten van elke detector die tot nu toe in de ruimte is gevlogen.

CREAM is oorspronkelijk ontwikkeld als onderdeel van NASA's Balloon Program, waarbij het metingen van ongeveer 120 teruggaf, 000 voet in zeven vluchten tussen 2004 en 2016.

"Het CREAM-ballonexperiment bereikte een totale blootstelling aan de lucht van 191 dagen, een record voor elk door een ballon gedragen astronomisch experiment, " zei Eun-Suk Seo, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Maryland in College Park en de hoofdonderzoeker van het experiment. "Opereren op het ruimtestation zal onze blootstelling met meer dan 10 keer vergroten, waardoor we veel verder gaan dan de traditionele energielimieten van directe metingen."

Sportieve nieuwe instrumenten, evenals gerenoveerde versies van detectoren die oorspronkelijk werden gebruikt op ballonvluchten boven Antarctica, het koelkastformaat, 1,4 ton (1, 300 kilogram) ISS-CREAM-experiment zal worden afgeleverd bij het ruimtestation als onderdeel van de 12e commerciële bevoorradingsmissie van SpaceX. Eenmaal daar, ISS-CREAM wordt verplaatst naar het Exposed Facility-platform dat zich uitstrekt van Kibo, de Japanse experimentmodule.

Vanaf deze orbitale baars, ISS-CREAM zal naar verwachting de "kosmische regen" gedurende drie jaar bestuderen - de tijd die nodig is om ongeëvenaarde directe metingen van zeldzame hoogenergetische kosmische straling te leveren.

Bij energieën boven ongeveer 1 miljard elektronvolt, de meeste kosmische stralen komen van buiten ons zonnestelsel naar ons toe. Verschillende bewijslijnen, inclusief waarnemingen van NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope, ondersteunen het idee dat schokgolven van het uitdijende puin van sterren die explodeerden als supernova's kosmische straling versnellen tot energieën van 1, 000 biljoen elektronvolt (PeV). Dat is 10 miljoen keer de energie van medische protonenstralen die worden gebruikt om kanker te behandelen. ISS-CREAM-gegevens zullen wetenschappers in staat stellen te onderzoeken hoe andere bronnen dan supernovaresten bijdragen aan de populatie van kosmische straling.

Protonen zijn de meest voorkomende kosmische stralingsdeeltjes, maar elektronen, heliumkernen en de kernen van zwaardere elementen vormen een klein percentage. Het zijn allemaal directe monsters van materie uit de interstellaire ruimte. Maar omdat de deeltjes elektrisch geladen zijn, ze interageren met galactische magnetische velden, waardoor ze dwalen op hun reis naar de aarde. Dit versluiert hun paden en maakt het onmogelijk om kosmische stralingsdeeltjes terug te traceren naar hun bronnen.

"Een extra uitdaging is dat de stroom van deeltjes die elke detector raakt gestaag afneemt met hogere energieën, " zei ISS-CREAM mede-onderzoeker Jason Link, een onderzoeker bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Dus om hogere energieën beter te verkennen, we hebben ofwel een veel grotere detector nodig of veel meer observatietijd. Het opereren op het ruimtestation geeft ons deze extra tijd."

Grote systemen op de grond bestuderen kosmische straling met energieën van meer dan 1 PeV door van de atmosfeer van de aarde de detector te maken. Wanneer een kosmische straal de kern van een gasmolecuul in de atmosfeer raakt, beide exploderen in een regen van subatomaire granaatscherven die een grotere cascade van deeltjesbotsingen veroorzaakt. Sommige van deze secundaire deeltjes bereiken detectoren op de grond, het verstrekken van informatie die wetenschappers kunnen gebruiken om de eigenschappen van de oorspronkelijke kosmische straal af te leiden.

Deze secondaries produceren ook een storende achtergrond die de effectiviteit van CREAM's ballonoperaties beperkte. Het verwijderen van die achtergrond is een ander voordeel van het verplaatsen naar een baan.

Met afnemende aantallen deeltjes bij toenemende energieën, het kosmische stralingsspectrum lijkt vaag op het profiel van een menselijk been. Bij PeV-energieën, deze daling wordt abrupt steiler, het vormen van een detail dat wetenschappers de 'knie' noemen. ISS-CREAM is de eerste ruimtemissie die de lage flux van kosmische straling kan meten bij energieën die de knie naderen.

"De oorsprong van de knie en andere kenmerken blijven al lang bestaande mysteries, Seo zei. "Er zijn veel scenario's voorgesteld om ze uit te leggen, maar we weten niet wat juist is."

Astronomen denken niet dat overblijfselen van supernova's in staat zijn om kosmische straling buiten het PeV-bereik aan te drijven. dus de knie kan gedeeltelijk gevormd worden door de drop-off van hun kosmische straling in dit gebied.

"Hoge-energetische kosmische straling bevat veel informatie over onze interstellaire omgeving en ons melkwegstelsel, maar we hebben deze berichten niet erg duidelijk kunnen lezen, "Zei co-onderzoeker John Mitchell van Goddard. "ISS-CREAM is een belangrijke stap in deze richting."

ISS-CREAM detecteert deeltjes van kosmische straling wanneer ze inslaan op de materie waaruit de instrumenten bestaan. Eerst, een siliciumladingsdetector meet de elektrische lading van binnenkomende deeltjes, dan zorgen koolstoflagen voor doelen die effecten stimuleren, het produceren van cascades van deeltjes die in elektrische en optische detectoren eronder stromen terwijl een calorimeter hun energie bepaalt. Twee op scintillator gebaseerde detectorsystemen bieden de mogelijkheid om onderscheid te maken tussen enkelvoudig geladen elektronen en protonen. Alles verteld, ISS-CREAM kan elektronen onderscheiden, protonen en atoomkernen zo massief als ijzer als ze door de instrumenten botsen.

ISS-CREAM voegt zich bij twee andere kosmische stralingsexperimenten die al aan het ruimtestation werken. De Alpha Magnetische Spectrometer (AMS-02), geleid door een internationale samenwerking gesponsord door het Amerikaanse ministerie van Energie, brengt kosmische straling in kaart tot een biljoen elektronvolt, en de door Japan geleide calorimetrische elektronentelescoop (CALET), ook gevestigd op de Kibo Exposed Facility, is gewijd aan het bestuderen van kosmische stralingselektronen.

Het algehele beheer van ISS-CREAM en de integratie voor de ruimtestationtoepassing werd verzorgd door NASA's Wallops Flight Facility aan de oostkust van Virginia. ISS-CREAM is ontwikkeld als onderdeel van een internationale samenwerking onder leiding van de Universiteit van Maryland in College Park, waaronder teams van NASA Goddard, Penn State University in University Park, Pennsylvania, en Northern Kentucky University in Highland Heights, evenals samenwerkende instellingen in de Republiek Korea, Mexico en Frankrijk.