Het werk is begonnen aan een ambitieuze nieuwe missie die een ultramoderne telescoop van 2,5 meter hoog in de stratosfeer zal brengen op een ballon. Voorlopig gepland voor lancering in december 2023 vanaf Antarctica, ASTHROS (afkorting van Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-wavelengths) zal ongeveer drie weken doorbrengen op luchtstromingen boven het ijzige zuidelijke continent en onderweg verschillende primeurs behalen.

Beheerd door NASA's Jet Propulsion Laboratory, ASTHROS neemt ver-infrarood licht waar, of licht met golflengten die veel langer zijn dan wat zichtbaar is voor het menselijk oog. Om dat te doen, ASTHROS zal een hoogte van ongeveer 130 moeten bereiken, 000 voet (24,6 mijl, of 40 kilometer) - ongeveer vier keer hoger dan commerciële vliegtuigen vliegen. Hoewel nog steeds ruim onder de grens van de ruimte (ongeveer 62 mijl, of 100 kilometer, boven het aardoppervlak), het zal hoog genoeg zijn om lichtgolflengten te observeren die worden geblokkeerd door de atmosfeer van de aarde.

Het missieteam heeft onlangs de laatste hand gelegd aan het ontwerp voor de lading van het observatorium, inclusief de telescoop (die het licht vangt), zijn wetenschappelijk instrument, en dergelijke subsystemen zoals de koeling en elektronische systemen. Begin augustus, ingenieurs bij JPL zullen beginnen met de integratie en het testen van die subsystemen om te controleren of ze presteren zoals verwacht.

Hoewel ballonnen misschien verouderde technologie lijken, ze bieden NASA unieke voordelen ten opzichte van grond- of ruimtemissies. NASA's Scientific Balloon Program is al 30 jaar actief in Wallops Flight Facility in Virginia. Het lanceert 10 tot 15 missies per jaar vanuit locaties over de hele wereld ter ondersteuning van experimenten in alle wetenschappelijke disciplines van NASA, evenals voor technologische ontwikkeling en onderwijsdoeleinden. Ballonmissies hebben niet alleen lagere kosten in vergelijking met ruimtemissies, ze hebben ook kortere tijd tussen vroege planning en inzet, wat betekent dat ze de hogere risico's kunnen accepteren die gepaard gaan met het gebruik van nieuwe of geavanceerde technologieën die nog niet in de ruimte zijn gevlogen. Deze risico's kunnen de vorm hebben van onbekende technische of operationele uitdagingen die de wetenschappelijke output van een missie kunnen beïnvloeden. Door deze uitdagingen aan te gaan, ballonmissies kunnen het toneel vormen voor toekomstige missies om de vruchten van deze nieuwe technologieën te plukken.

"Ballonmissies zoals ASTHROS zijn riskanter dan ruimtemissies, maar leveren hoge beloningen op tegen bescheiden kosten, " zei JPL-ingenieur Jose Siles, projectmanager voor ASTHROS. "Met ASTROS, we streven ernaar om astrofysische waarnemingen te doen die nog nooit eerder zijn geprobeerd. De missie zal de weg vrijmaken voor toekomstige ruimtemissies door nieuwe technologieën te testen en training te geven aan de volgende generatie ingenieurs en wetenschappers."

Infrarood ogen in de lucht

ASTHROS zal een instrument bij zich hebben om de beweging en snelheid van gas rond nieuw gevormde sterren te meten. Tijdens de vlucht, de missie zal vier hoofddoelen bestuderen, waaronder twee stervormingsgebieden in het Melkwegstelsel. Het zal ook voor het eerst de aanwezigheid detecteren en in kaart brengen van twee specifieke soorten stikstofionen (atomen die sommige elektronen hebben verloren). Deze stikstofionen kunnen plaatsen onthullen waar wind van massieve sterren en supernova-explosies de gaswolken in deze stervormingsgebieden hebben hervormd.

In een proces dat bekend staat als stellaire feedback, zulke gewelddadige uitbarstingen kunnen, gedurende miljoenen jaren, het omringende materiaal verspreiden en stervorming belemmeren of helemaal stoppen. Maar stellaire feedback kan er ook voor zorgen dat materiaal samenklontert, stervorming versnellen. Zonder dit proces al het beschikbare gas en stof in sterrenstelsels zoals het onze zou lang geleden zijn samengesmolten tot sterren.

ASTHROS zal de eerste gedetailleerde 3D-kaarten maken van de dichtheid, snelheid, en beweging van gas in deze regio's om te zien hoe de pasgeboren reuzen hun placenta-materiaal beïnvloeden. Door het zo te doen, het team hoopt inzicht te krijgen in hoe stellaire feedback werkt en nieuwe informatie te verstrekken om computersimulaties van de evolutie van sterrenstelsels te verfijnen.

Een derde doelwit voor ASTHROS is het sterrenstelsel Messier 83. Door daar tekenen van stellaire feedback te observeren, kan het ASTHROS-team dieper inzicht krijgen in het effect ervan op verschillende soorten sterrenstelsels. "Ik denk dat men begrijpt dat stellaire feedback de belangrijkste regulator is van stervorming in de geschiedenis van het universum, " zei JPL-wetenschapper Jorge Pineda, hoofdonderzoeker van ASTHROS. "Computersimulaties van de evolutie van sterrenstelsels kunnen de realiteit die we in de kosmos zien nog steeds niet helemaal nabootsen. De stikstofkartering die we met ASTHROS zullen doen, is nog nooit eerder gedaan, en het zal spannend zijn om te zien hoe die informatie helpt om die modellen nauwkeuriger te maken."

Eindelijk, als het vierde doelwit, ASTHROS zal TW Hydrae observeren, een jonge ster omringd door een brede schijf van stof en gas waar planeten zich kunnen vormen. Met zijn unieke mogelijkheden, ASTHROS zal de totale massa van deze protoplanetaire schijf meten en laten zien hoe deze massa overal is verdeeld. Deze waarnemingen kunnen mogelijk plaatsen onthullen waar het stof samenklontert om planeten te vormen. Door meer te leren over protoplanetaire schijven kunnen astronomen begrijpen hoe verschillende soorten planeten zich vormen in jonge zonnestelsels.

Een verheven benadering

Om dit allemaal te doen, ASTHROS will need a big balloon:When fully inflated with helium, it will be about 400 feet (150 meters) wide, or about the size of a football stadium. A gondola beneath the balloon will carry the instrument and the lightweight telescope, which consists of an 8.4-foot (2.5-meter) dish antenna as well as a series of mirrors, lenses, and detectors designed and optimized to capture far-infrared light. Thanks to the dish, ASTHROS tied for the largest telescope to ever fly on a high-altitude balloon. During flight, scientists will be able to precisely control the direction that the telescope points and download the data in real-time using satellite links.

Because far-infrared instruments need to be kept very cold, many missions carry liquid helium to cool them. ASTHROS will instead rely on a cryocooler, which uses electricity (supplied by ASTHROS' solar panels) to keep the superconducting detectors close to minus 451.3 degrees Fahrenheit (minus 268.5 degrees Celsius)—a little above absolute zero, the coldest temperature matter can reach. The cryocooler weighs much less than the large liquid helium container that ASTHROS would need to keep its instrument cold for the entire mission. That means the payload is considerably lighter and the mission's lifetime is no longer limited by how much liquid helium is on board.

The team expects the balloon will complete two or three loops around the South Pole in about 21 to 28 days, carried by prevailing stratospheric winds. Once the science mission is complete, operators will send flight termination commands that separate the gondola, which is connected to a parachute, from the balloon. The parachute returns the gondola to the ground so that the telescope can be recovered and refurbished to fly again.

"We will launch ASTHROS to the edge of space from the most remote and harsh part of our planet, " said Siles. "If you stop to think about it, it's really challenging, which makes it so exciting at the same time."