Zwevend zo'n 23 mijl over de Zuidpool, een experiment van de Universiteit van Kansas, dat aan een weerballon op grote hoogte is geslingerd, berekent hoe het oppervlak van Antarctica radiosignalen weerkaatst die worden veroorzaakt door ultrahoge energetische kosmische straling.

Het Hi-Cal-experiment (kalibratie op grote hoogte) loopt rond de zuidpool, honderden mijlen slepend achter weer een andere cluster van instrumenten vastgebonden aan een veel grotere ballon, genaamd ANITA (voor Antarctic Impulsive Transient Antenna, en sinds 2003 gefinancierd door NASA). Het uiteindelijke experimentele doel is het meten van ultrahoge energie neutrino's en ultrahoge energie kosmische straling die interageren in het Antarctische ijs, of met de atmosfeer van de aarde, het creëren van radiogolven.

Om het doel van Hi-Cal te begrijpen, eerst het begrijpen van de onderzoeksmissie van ANITA is de sleutel.

"Het ANITA-experiment is om kosmische straling met ultrahoge energie te detecteren, en deze worden gedetecteerd dankzij de radiofrequentiestraling die wordt geproduceerd wanneer een kosmische straal een aardmolecuul raakt - die een nevel van puin veroorzaakt, waaronder deeltjes en radiofrequentiestraling, " zei David Besson, hoogleraar natuurkunde &sterrenkunde aan de KU, die het Hi-Cal-team leidt.

Besson zei dat de neerkomende kosmische stralen radiofrequenties genereren die door ANITA worden gedetecteerd, voornamelijk als oppervlaktereflecties, terugkaatsen vanaf het oppervlak van Antarctica.

"Om de eigenschappen van de radiofrequenties die ANITA verzamelt te begrijpen, je moet de oppervlaktereflectie begrijpen, ' zei Besson.

Hier komt het Hi-Cal-experiment van KU om de hoek kijken.

"Hi-Cal is een gezelschapsexperiment dat tussen de 125 en 620 mijl achter de hoofdlading vliegt en een ping uitzendt, "zei Besson. "Die radiofrequentie-ping, die een duur heeft van 10 tot 20 nanoseconden, wordt gedetecteerd door ANITA die rechtstreeks afkomstig is van de Hi-Cal-zender en van oppervlaktereflectie van Antarctica. Door naar de verhouding van de twee signalen te kijken, kun je de oppervlakte-eigenschappen van Antarctische sneeuw afleiden."

Terwijl de leidende ANITA-ballon beladen is met duizenden dollars aan hightech snufjes, de volgende Hi-Cal-ballon gebruikt een piëzo-elektrische aansteker die iedereen in een ijzerhandel zou kunnen kopen als pingapparaat.

"Het hart van het Hi-Cal-project is een barbecue-aansteker van $ 10, "Zei Besson. "Het is een heel slim idee dat een paar afgestudeerde studenten konden werken. Toen we het drie jaar geleden in de eerste missie aanzetten, ANITA registreerde onmiddellijk signalen van Hi-Cal, 500 mijl verderop. Het voordeel van Antarctica is dat het zo radiostil is, dit is mogelijk - hier in Lawrence, Kansas, het zou een uitdaging zijn met zoveel radioruis."

In tegenstelling tot aanstekers met een vuursteenmechanisme, piëzo-elektrische aanstekers werken wanneer ze mechanisch worden samengedrukt en plotseling worden losgelaten.

"De opgeslagen mechanische energie, als je het als een lente ziet, verschijnt als een zeer hoge spanning, " zei Besson. "Met deze piëzo-elektrische aansteker, we waren in staat om spanningen te genereren die wel $ 20 waren, 000 signaalgeneratoren die u op maat zou moeten bestellen. Het nadeel is dat het fine-tuning vereist om te optimaliseren."

Gefinancierd door $ 230, 000 van NASA-financiering ongeveer drie jaar geleden, de Hi-Cal-ballon met zijn barbecue-aansteker-ping heeft drie experimentele missies gevlogen in een zoektocht om de reflectiviteit van Antarctica op radiofrequenties beter te begrijpen. Belangrijke onderzoekers van de KU die aan het experiment werken, zijn onder meer Steven Prohira, Sasha Novikov, Jessica Stockham en Mark Stockham.

"We hebben om de paar jaar een lancering, ' zei Besson. 'De ballon gaat omhoog en cirkelt in het rond. Op Antartica, daar is de circumpolaire vortex. Als je een ballon lanceert, het vliegt in een cirkel rond de paal totdat de wind het begint weg te voeren van het continent en in de richting van de oceaan. Wanneer dat gebeurt, je stuurt het een signaal om de ANITA-payload te laten vallen. Deze meest recente lading is afgelopen januari gedropt, en op dit moment is er een herstelteam met twee leden van de KU dat de experimentele hardware ophaalt. Ze vliegen naar de locatie met Twin Otter-vliegtuigen en jagen erop."

De kleinere Hi-Cal-lading wordt niet teruggevonden. Besson zei dat de laatste vlucht van Hi-Cal ongeveer 10 dagen duurde. Beide experimenten zullen in 2020 weer samen vliegen.

"We proberen Antarctica te kalibreren, "Zei Besson. "Als je de reflectiviteit van Antarctica kunt begrijpen, je zou een nauwkeurige meting kunnen maken van het energiespectrum voor elke kosmische straal in zijn oppervlaktereflectie. Je hebt deze meting nodig om effecten van oppervlaktereflectie te ontvouwen."

Volgens de KU-onderzoeker terwijl de wetenschappers achter zowel Hi-Cal als ANITA meer gegevens verzamelen, ze hopen de bron van de ultrahoge energetische kosmische straling te kunnen detecteren.

"Dit is een van de grote heilige gralen van de hedendaagse kosmische stralingsfysica, deeltjesastrofysica genoemd, zei hij. "De heilige graal is om een ​​punt in de lucht te identificeren dat zeer energierijke kosmische straling produceert, maar mensen hebben beperkt succes gehad. Er is enig bewijs uit andere experimenten dat een type radio-luid sterrenstelsel, een blazar genaamd, een superzwaar zwart gat in het centrum kan herbergen. Een andere bron zou een gammaflits kunnen zijn. We hopen dat dit werk kan helpen de bron te verfijnen - je moet de eigenschappen van oppervlaktereflectie kennen om dat beeld te krijgen."

Besson suggereerde dat ANITA onlangs misschien op een nog dieper mysterie is beland.

"Ze hebben een klasse van gebeurtenissen ontdekt die niet lijken te passen bij het kosmische-straalproton of het kosmische-straalneutrinoproces - hun bron is beslist een puzzel, " zei hij. "ANITA is het enige experiment dat deze klasse van gebeurtenissen heeft gedetecteerd. Er was onlangs een aankondiging door ANITA en een paar vervolgtheorieën."