Een team van onderzoekers van de Universiteit van Alabama in Huntsville (UAH) heeft NASA-financiering gekregen als onderdeel van een groot, vijf jaar durende Amerikaanse samenwerking om een ​​ultralange ballonmissie te vliegen met drie innovatieve ultragevoelige telescopen om kosmische straling en neutrino's uit de verre ruimte te detecteren. Gepland voor lancering in 2022, de tweede generatie Extreme Universe Space Observatory op een superdrukballon (EUSO-SPB2) is een belangrijke stap in de richting van een geplande missie om een ​​sonde de ruimte in te sturen.

"UAH is al meer dan 20 jaar betrokken bij dit onderzoek, met de wetenschap die hier aanvankelijk werd geleid door wijlen natuurkundeprofessor Yoshi Takahashi, " zegt Dr. Patrick Reardon, die fungeert als directeur van UAH's Centre for Applied Optics (CAO) en als hoofdonderzoeker voor de UAH-inspanning. "Vanaf dat moment, een team van de CAO, waaronder optisch ontwerper Ken Pitalo en een aantal studenten, heeft een aantal buitengewone optische ontwerpen gemaakt en getest."

De wetenschap achter dit onderzoek is een zoektocht naar de bron van ultrahoge-energiedeeltjes uit de ruimte die onze aarde raken. Een type van deze deeltjes is kosmische straling:sub-atomaire kernen die vanuit elke richting in de ruimte reizen, versneld door supernova's en andere onbekende kosmische verschijnselen. Even mysterieus zijn neutrino's, de "spookdeeltjes" die de hele tijd door ons heen gaan, meestal onopgemerkt.

Hoewel er veel is dat we niet weten over neutrino's, de meest dringende zorg is waar ze vandaan komen. Het enige dat bekend is, is dat gebaseerd op studies aan het Pierre Auger Observatorium in Argentinië, de meest energetische kosmische stralen die de aarde raken, komen van buiten onze eigen melkweg. De meest extreme kosmische straling en neutrino's bieden de meeste aanwijzingen voor hun oorsprong en reizen, omdat ze de effecten van magnetische velden in de ruimte kunnen weerstaan ​​die de paden van zwakkere deeltjes afbuigen. Dit is wat dit nieuwe door NASA gefinancierde ballonexperiment zal jagen.

"Dit programma zal ons helpen het grote mysterie op te lossen van waar in het universum deze zeer energetische deeltjes vandaan komen, en hoe ze mogelijk gemaakt kunnen worden, " zegt dr. Angela Olinto, de Universiteit van Chicago Albert A. Michelson Distinguished Service Professor in Astronomy and Astrophysics en hoofdonderzoeker van de samenwerking.

Omdat er relatief weinig kosmische deeltjes zijn die met de aarde in botsing komen, EUSO-SPB2 zal ze niet rechtstreeks waarnemen. In plaats daarvan, het door een ballon gedragen experiment zal op zoek gaan naar de sporen van ultraviolet en zichtbaar licht (fotonen) die worden gegenereerd in het kielzog van de deeltjes terwijl ze door de atmosfeer van de aarde vliegen. Om de kans op het verkrijgen van gegevens over de deeltjes te vergroten, het zal worden geplaatst op een hoogte van 100, 000 voet, hoog genoeg om een ​​groot deel van onze atmosfeer te monitoren.

De uitdaging, echter, ontwerpt een optisch systeem dat rekening houdt met zowel het beperkte aantal fotonen dat wordt gegenereerd als de zeer hoge snelheid waarmee de beelden moeten worden verkregen. Het moet niet alleen veel meer licht verzamelend vermogen hebben dan NASA's James Webb Space Telescope (JWST), maar het moet ook passen op en worden opgetild door een ballon.

"Hoewel de JWST een enorme primaire verzamelspiegel heeft van 6,4 meter, of 20 voet, in diameter, het gezichtsveld is slechts 0,3 bij 0,15 graden, " zegt Dr. Reardon. "Daarentegen, terwijl de EUSO-SPB2 optica gebruikt met een opvangoppervlak van slechts 1 meter in diameter, het gezichtsveld is 45 bij 5 graden." Door het verzamelgebied te vermenigvuldigen met het gezichtsveld, en het UAH-systeem heeft ongeveer 100 keer de doorvoer van JWST.

Volgens Dr. Reardon, dit is precies het soort project waarvoor de CAO de expertise heeft op het gebied van optische engineering. "Eerst moeten we de wetenschappelijke behoeften omzetten in praktische optische specificaties, "zegt hij. "Dan ontwerpen we de optiek, ervoor te zorgen dat ze met succes kunnen worden gefabriceerd en geassembleerd." In sommige gevallen die optieken worden ter plaatse geproduceerd bij UAH. Daarna, hij gaat door, "wij ontwikkelen de afstemmings- en testinstrumenten en -procedures, en zelfs assisteren bij de implementatie van het systeem." Dat zijn de mogelijkheden die de CAO in elk project biedt.

Naast het ontwerpen en ervoor zorgen dat de optiek correct wordt gemonteerd, de CAO werkt samen met Dr. James Adams en Dr. Evgeny Kuznetsov van UAH's Center for Space Plasma and Aeronomic Research om de energiesystemen te ondersteunen, detector ontwikkeling, en grondtesten, die allemaal cruciaal zijn voor het succes van de missie.

De ballon ter grootte van een voetbalveld, die maandenlang op 20 mijl de atmosfeer in kan reizen met de baanbrekende 30, observatorium van 000 pond, zal maximaal drie van deze telescopen dragen - elk afgestemd om te zoeken naar specifieke kenmerken die helpen bij het identificeren van de kosmische deeltjes. De missie wordt gelanceerd vanuit Nieuw-Zeeland, zodat de ballon een ritje kan maken op de poolstraalstroom die het onderste deel van de wereld omcirkelt. Het doel is dat de ballon meerdere reizen rond Antarctica maakt in de loop van 100 of meer dagen.

De vlucht zal een proof of concept opleveren voor de geplande Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA), een paar in een baan om de aarde draaiende satellieten met dezelfde mogelijkheden, maar met verschillende ordes van grootte meer gevoeligheid. UAH maakt deel uit van een team van wetenschappers en NASA-ingenieurs onder leiding van Dr. Olinto die de POEMMA-missie ontwerpen voor overweging door de 2020 Astronomy and Astrophysics Survey, een wetenschappelijke prioriteitstelling voor het decennium onder leiding van de National Academy of Sciences.