Op 14 augustus, 2017, een baanbrekende door de University of Maryland ontworpen kosmische stralingsdetector zal naar het International Space Station (ISS) reizen aan boord van de SpaceX-12 Commercial Resupply Service-missie. Het instrument, genaamd ISS Cosmic Ray Energetics and Mass (ISS-CREAM), is ongeveer zo groot als een koelkast en zal gedurende ten minste drie jaar op de Japanse experimentmodule van het ISS geïnstalleerd blijven. De enorme hoeveelheden gegevens die ISS-CREAM zal verzamelen, kunnen nieuwe details onthullen over de oorsprong en diversiteit van kosmische straling.

Kosmische stralen zijn helemaal geen stralen, maar zeer energetische deeltjes die met bijna de lichtsnelheid door de ruimte zoemen. De deeltjes variëren in grootte, van subatomaire protonen tot de atoomkernen van elementen zoals koolstof en boor. Wetenschappers vermoeden dat de deeltjes subatomaire granaatscherven zijn, geproduceerd door supernova's, maar kunnen ook tekenen zijn van andere catastrofale verschijnselen.

Ongeacht hun afkomst, "kosmische straling zijn directe monsters van materie van buiten ons zonnestelsel - mogelijk uit de meest verre uithoeken van het universum, " zei Eun-Suk Seo, een professor in de natuurkunde aan de UMD en hoofdonderzoeker voor ISS-CREAM. Seo leidt UMD's Cosmic Ray Physics Group en heeft een gezamenlijke aanstelling in het UMD Institute for Physical Science and Technology.

ISS-CREAM bouwt voort op meer dan tien jaar werk van Seo's onderzoeksgroep, waaronder zeven Long-Duration Balloon (LDB)-missies op Antarctica, gewijd aan het bestuderen van de aard van kosmische straling. Elk van deze LDB-missies werd gefaciliteerd door NASA met extra steun van de National Science Foundation.

De eerste, bekend als Cosmic Ray Energetics en Mass I (CREAM I), gelanceerd in december 2004. CREAM I droeg instrumenten om de energie te meten, opladen, massa en richting van binnenkomende kosmische stralingsdeeltjes. De volgende vijf missies, ook CREAM genoemd en genummerd II-VI, droeg dezelfde basisreeks instrumenten. De zevende en meest recente missie kreeg een andere naam:Borium and Carbon Kosmische straling in de Bovenste Stratosfeer (BACCUS). De vlucht vestigde een record voor de vroegste seizoenslancering in de geschiedenis van NASA's LDB-programma op 28 november, 2016, en 30 dagen later gesloten.

ISS-CREAM zal een reeks instrumenten aan boord hebben die erg lijken op zijn neven met een ballon. Maar in tegenstelling tot de ballonexperimenten, De detectoren van ISS-CREAM hebben directe, onbelemmerde toegang tot inkomende kosmische straling - zonder atmosferische interferentie. Terug op aarde, Seo's team zal 24 uur per dag toezicht houden op de activiteiten, ploegendiensten om ervoor te zorgen dat de instrumenten correct zijn gekalibreerd en om de maximale hoeveelheid gegevens te verzamelen.

Wanneer een kosmisch straaldeeltje de atmosfeer van de aarde bereikt, het botst al snel met een ander deeltje - hoogstwaarschijnlijk een atoom van stikstof of zuurstof. Dit veroorzaakt een cascade van secundaire deeltjes die minder energie dragen dan het oorspronkelijke deeltje. De atmosfeer dient als een beschermend filter, gevaarlijke kosmische stralen vertragen voordat ze de kans krijgen om het leven en eigendommen hier op het aardoppervlak te beschadigen.

Dit betekent ook dat aardgebonden kosmische stralingsdetectoren alleen secundaire deeltjes kunnen zien. Door boven de atmosfeer te cirkelen, ISS-CREAM pakt deze uitdaging aan en biedt verschillende andere voordelen in vergelijking met ballonexperimenten.

"Om primaire deeltjes te zien, moeten we een instrument in de ruimte laten vliegen. Dit verwijdert atmosferische achtergrond, "Seo legde uit. "Eerdere experimenten waren ook beperkt tot lagere energieën vanwege de grootte van de lading en de vluchtduur. ISS-CREAM zal onze metingen uitbreiden naar de hoogst mogelijke energieën en ons in staat stellen onze blootstelling met een orde van grootte te vergroten."

ISS-CREAM moet ook bestand zijn tegen zware omstandigheden die veel verder gaan dan die tijdens een ballonmissie.

"ISS-CREAM moet een gewelddadige raketlancering overleven. Een ballonlancering is in vergelijking heel zachtaardig, Seo zei. "ISS-CREAM moet ook jarenlang zonder reparaties blijven werken, terwijl een balloninstrument maar een maand of twee meegaat. En elk experiment in de ruimte moet worden beschermd tegen straling, dat maakt alles duurder en de ontwerpprocessen veeleisender."

Kosmische stralingsdeeltjes kunnen helpen bij het oplossen van een van de meest ongrijpbare wetenschappelijke puzzels van vandaag:het bepalen van de aard van donkere materie. Volgens Seo, theorie suggereert dat donkere materiedeeltjes kunnen botsen en elkaar vernietigen, resulterend in energetische deeltjes van conventionele materie die we herkennen als kosmische straling. Als deze theorie klopt, het bestuderen van kosmische straling kan veelbelovende aanknopingspunten opleveren in de zoektocht naar donkere materie.

"De mysterieuze aard van kosmische straling herinnert ons eraan hoe weinig we weten over ons universum. De ontdekking van kosmische straling bracht in het begin van de 20e eeuw het gebied van de deeltjesfysica voort. Maar geen enkele door mensen gemaakte deeltjesversneller kan de energieniveaus die we zien in kosmische straling, " voegde SEO eraan toe. "Ons team wacht al jaren met spanning op deze lancering. Dit is een zeer opwindende tijd voor ons en anderen op het gebied van hoogenergetische deeltjesastrofysica."