Achtenvijftig dagen geleden, op een bijna windstille ochtend op de Ross Ice Shelf, vloog een ballon ter grootte van een stadion boven Antarctica, met ver-infraroodtechnologie van het Steward Observatory van de Universiteit van Arizona met zich mee, op zoek naar aanwijzingen over de levenscyclus van sterren in de ruimte. onze Melkweg en daarbuiten.

GUSTO – een afkorting van het Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory – heeft nu het record gebroken als NASA's langst vliegende zware ballonmissie, die voorheen 55 dagen, 1 uur en 34 minuten duurde. Momenteel beweegt de enorme nuldrukballon zich door stratosferische luchtstromingen op 30.000 meter boven het Antarctische continent, waarbij hij ver-infrarode radio-emissies verzamelt van de materie tussen de sterren. GUSTO overtrof het vorige record om 10:22 uur zaterdag Tucson-tijd.

De zwakke terahertz-signalen waar GUSTO naar op zoek is – met frequenties die tot een miljoen keer hoger zijn dan de golven die door een FM-radio worden uitgezonden – worden gemakkelijk geabsorbeerd door waterdamp in de atmosfeer van de aarde voordat ze telescopen op de grond kunnen bereiken. Alleen zeer droge of hooggelegen plaatsen zijn zeer geschikt voor observatoria die enkele van die ongrijpbare fotonen opvangen, zoals de hoge Atacama-woestijn en de Zuidpool.

Op zoek naar drogere omstandigheden “worden we gedreven om naar steeds meer afgelegen plaatsen te gaan”, zegt Chris Walker, hoogleraar astronomie van het Steward Observatory, hoofdonderzoeker van de GUSTO-missie, die sinds 1994 aan telescoopprojecten op Antarctica heeft gewerkt. mogelijkheden voor het snel evoluerende veld van terahertz-spectroscopie, waardoor waarnemers ver-infraroodsignalen kunnen verzamelen voordat ze verloren gaan in de lagere lagen van de atmosfeer, tegen een fractie van de kosten van een volledig in de ruimte gestationeerde telescoop.

Ballontelescopen zoals GUSTO combineren de kracht van ruimteobservatie met de nabijheid van operaties op aarde, en brengen unieke uitdagingen met zich mee. Voor een succesvolle lancering is een perfect weervenster vereist, met lage windsnelheden, zowel op de grond als in de stratosfeer.

Wanneer de omstandigheden het toelaten, is de lancering zelf een dramatisch spektakel. Ondersteunende vrachtwagens reden naar de ijsplaat en pijpen helium in de ballon, die "als een zeil" beweegt en flappert terwijl hij zich vult, zei Walker. "Je begint het ruisen van het helium te horen terwijl de ballon opblaast, en als ze hem loslaten, rommelt hij terwijl hij zich ontvouwt." Dit is een onzekere tijd:als er een onvolkomenheid of windschering is, kan de ballon scheuren. Over het recordbrekende project zei Walker:"ballonvaren is het moeilijkste wat ik professioneel heb gedaan, maar het is ook het meest lonende."

Als alles goed gaat – zoals bij GUSTO – tilt de ballon de telescoop op in zijn gespecialiseerde gondel en brengt hem 35 kilometer boven de aarde naar de afgelegen grens tussen de stratosfeer en de ruimte. Vanaf hier vertrouwen astronomen op de cirkelvormige windstromen boven het Antarctische continent tijdens de zomer op het zuidelijk halfrond om de ballon in brede lussen te dragen en de lichtsignaturen van kosmische chemicaliën te verzamelen.

Aan boord van GUSTO verzamelen emissielijndetectoren moleculaire informatie over het interstellaire medium:het kosmische gas en stof tussen sterren dat nieuwe sterren en sterrenstelsels voortbrengt.

"We maakten allemaal deel uit van het interstellaire medium - elk atoom en molecuul in je lichaam was op een gegeven moment gas en stof dat tussen de sterren stroomde", zei Walker. Om de zaken nog ingewikkelder te maken, is de chemie van het universum tegenwoordig anders dan na de oerknal. Om het verhaal van de stervorming in het heelal – en bij uitbreiding het verhaal van onze eigen oorsprong – te begrijpen, zijn astronomen geïnteresseerd in het vergelijken van de samenstelling van het interstellaire medium in sterrenstelsels van verschillende leeftijden.

GUSTO wil de verdeling van koolstof, zuurstof en stikstof in de jonge Melkweg en in de naburige Grote Magelhaense Wolk in kaart brengen, die kenmerken heeft die vergelijkbaar zijn met die van veel oudere sterrenstelsels. Een vergelijking van de twee sterrenstelsels zal het GUSTO-team helpen bij het uitvoeren van de eerste volledige spectroscopische studie van alle fasen van de levenscyclus van sterren, van de ontwikkeling van interstellaire gaswolken, tot de vorming van stellaire kraamkamers, tot de geboorte en evolutie van sterren.

De GUSTO-missie heeft een lange weg afgelegd om de stratosfeer te bereiken. Het team van Walker diende in 2014 een NASA Explorer-programmavoorstel in en het project werd in 2017 door NASA geselecteerd. De gondel voor de missie werd gebouwd door het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory; Walkers team van het Steward Observatory in UArizona leverde de telescoop en de instrumentatie (de 'payload' genoemd) en werkte samen met verschillende partners, waaronder het Jet Propulsion Laboratory van NASA.

In augustus 2023 voerde het GUSTO-team een ​​hangtest uit in de NASA Columbia Scientific Balloon Facility in Palestina, Texas. Van daaruit reisden de volledig geïntegreerde gondel en lading, die ongeveer evenveel wogen als een SUV, naar Antarctica aan boord van een NASA C-130H vrachtvliegtuig - de eerste keer dat een ballonmissie volledig geassembleerd door de lucht werd verzonden. Op Antarctica bracht het GUSTO-team de herfst- en wintermaanden door met het maken van dagelijkse 12 kilometer lange tochten van McMurdo Station naar de hangar om de telescoop klaar te maken voor lancering, aan boord van Antarctische busjes met kolossale lagedrukbanden over het bevroren terrein.

Op 31 december, tien jaar nadat het GUSTO-team zijn onderzoeksvoorstel had ingediend, werd de missie gelanceerd bij weinig wind en een heldere hemel, waarbij de witte ballon opbolde tegen de achtergrond van de ijskoude berg Erebus.

Op de UArizona-campus blijven GUSTO-onderzoekers hun uithoudingsvermogen oefenen in extreme omstandigheden. Terwijl veel leden van het GUSTO-team naar McMurdo Station reisden om zich voor te bereiden op de lancering van de missie, 'ingezet' Craig Kulesa, universitair hoofddocent onderzoek bij Steward Observatory en plaatsvervangend hoofdonderzoeker van GUSTO, naar het Applied Research Building op de UArizona-campus, zei Walker. Van daaruit bedient Kulesa, in een kamer zonder ramen, de lading tijdens de vlucht, waarbij ze vaak op de grond slaapt en de besturing deelt met een Steward Observatory-team.

Gegevens komen in realtime binnen via een divers netwerk van telecommunicatietechnologieën, waaronder geosynchrone satellieten, Iridium en StarLink. GUSTO-teamleden bij UArizona en Johns Hopkins werken de klok rond om respectievelijk de instrumentatie en de gondel te monitoren en op afstand te beheren. Een 24-uurs Zoom-lijn verbindt partners over de hele continenten, van Harvard tot Nederland.

Walker toonde een live feed van GUSTO's vliegroute en liet het pad zien dat de ballon al heeft afgelegd boven het 5,4 miljoen vierkante kilometer grote continent, waarbij elke lus een andere kleur op het scherm heeft. De missie heeft geen vaste landingsdatum. Voor het eerst heeft NASA toestemming gegeven om de ballon zo lang mogelijk te laten vliegen, zelfs als hij buiten de rand van het Antarctische continent terechtkomt of landt waar hij niet kan worden opgehaald.

Het wordt de langste stratosferische zware ballonmissie in de geschiedenis. Van de recordbrekende vlucht.

"GUSTO heeft bewezen dat ballonnen kunnen worden gebruikt om echt baanbrekende wetenschap te doen, niet alleen voor een paar dagen, maar gedurende weken en weken", aldus Walker.

De lengte van de vlucht zal uiteindelijk worden bepaald door hoe lang het koelsysteem kan draaien (aan boord zal een tank met vloeibaar helium naar verwachting tot maart meegaan) en door de temperatuurverandering naarmate de Antarctische dagen beginnen te verkorten. Ballonnen zoals GUSTO kunnen tijdens de zomer alleen langdurige missies uitvoeren in poolgebieden, waar de ballon in constant zonlicht blijft en niet wegzakt in de verkoelende nachtlucht.

De overlappende blauwe, groene en rode kenmerken van GUSTO's vluchtlussen verschijnen klein op het scherm van Walker, maar vertegenwoordigen een enorme stap in de terahertz-astronomie:4.800 pond UArizona-technologie beweegt zich langer dan ooit tevoren aan de uiterste rand van de atmosfeer.

Als het volgende onderzoeksvoorstel van Walker wordt aangenomen, kan dezelfde instrumentatie die momenteel aan boord van GUSTO aanwezig is, in de ruimte worden getest, op zoek naar de ongrijpbare ver-infraroodsignaturen van planeetvormende systemen en bewoonbare zones.

"Wat heeft het voor zin als je niet tot het uiterste gaat?" zei Walker.

Aangeboden door Universiteit van Arizona