Elevándose unas 23 millas sobre el Polo Sur, un experimento de la Universidad de Kansas colgado de un globo meteorológico a gran altitud está calculando cómo la superficie de la Antártida refleja las señales de radio causadas por rayos cósmicos de energía ultra alta.

El experimento Hi-Cal (Calibración de gran altitud) gira alrededor del Polo Sur, arrastrándose cientos de millas detrás de otro grupo de instrumentos atados a un globo mucho más grande, llamado ANITA (para Antena Transitoria Impulsiva Antártica, y financiado por la NASA desde 2003). El objetivo experimental final es medir neutrinos de energía ultra alta y rayos cósmicos de energía ultra alta que interactúan en el hielo antártico, o con la atmósfera terrestre, creando ondas de radio.

Para comprender el propósito de Hi-Cal, Primero es clave comprender la misión de investigación de ANITA.

"El experimento ANITA es para detectar rayos cósmicos de energía ultra alta, y estos se detectan en virtud de la radiación de radiofrecuencia producida cuando un rayo cósmico golpea una molécula terrestre, lo que crea una pulverización de escombros que incluye partículas y radiación de radiofrecuencia. "dijo David Besson, profesor de física y astronomía en KU, quien lidera el equipo de Hi-Cal.

Besson dijo que los rayos cósmicos descendentes generan frecuencias de radio detectadas por ANITA principalmente como reflejos en la superficie, rebotando desde la superficie de la Antártida.

"Para comprender las propiedades de las frecuencias de radio que ANITA recopila, tienes que entender la reflectividad de la superficie, ", Dijo Besson.

Aquí es donde entra en juego el experimento Hi-Cal operado por KU.

"Hi-Cal es un experimento complementario que vuela entre 125 y 620 millas por detrás de la carga útil principal y envía un ping, ", Dijo Besson." Ese ping de radiofrecuencia, que tiene una duración de 10 a 20 nanosegundos, es detectado por ANITA proveniente directamente del transmisor Hi-Cal, así como de la reflexión de la superficie de la Antártida. Al observar la proporción de las dos señales, puede inferir las propiedades de la superficie de la nieve antártica ".

Mientras que el globo principal de ANITA está cargado con miles de dólares en artilugios de alta tecnología, el siguiente globo Hi-Cal utiliza un encendedor piezoeléctrico que cualquiera podría comprar en una ferretería como dispositivo de ping.

"El corazón del proyecto Hi-Cal es un encendedor de barbacoa de $ 10, ", Dijo Besson." Es una idea muy inteligente que un par de estudiantes graduados demostraron que podría funcionar. Cuando lo encendimos en la primera misión hace tres años, ANITA inmediatamente registró señales de Hi-Cal a 500 millas de distancia. La ventaja de la Antártida es que es tan silenciosa como la radio, esto es posible, aquí en Lawrence, Kansas, sería un desafío con tanto ruido de radio ".

A diferencia de los encendedores con mecanismo de pedernal, Los encendedores piezoeléctricos funcionan cuando se comprimen mecánicamente y se liberan repentinamente.

"La energía mecánica almacenada, si lo piensas como un manantial, aparece como un voltaje muy alto, ", Dijo Besson." Con este encendedor piezoeléctrico, pudimos generar voltajes de hasta $ 20, 000 generadores de señal que tendría que hacer un pedido personalizado. La desventaja es que requiere un ajuste fino para optimizar ".

Financiado por $ 230, 000 de la financiación de la NASA hace unos tres años, el globo Hi-Cal con su ping más ligero para barbacoa ha volado tres misiones experimentales en una búsqueda para comprender mejor la reflectividad de la Antártida a las frecuencias de radio. Los investigadores clave de KU que trabajan en el experimento incluyen a Steven Prohira, Sasha Novikov, Jessica Stockham y Mark Stockham.

"Tenemos un lanzamiento cada dos años, ", Dijo Besson." El globo sube y da vueltas. En la Antártida, ahí está el vórtice circumpolar. Si lanza un globo, vuela en círculo alrededor del polo hasta que el viento comienza a llevarlo lejos del continente y hacia el océano. Cuando eso pasa, le envía una señal para dejar caer la carga útil de ANITA. Esta carga útil más reciente se eliminó en enero pasado, y ahora mismo hay un equipo de recuperación que incluye a dos miembros de KU que están recuperando el hardware experimental. Vuelan a la ubicación en aviones Twin Otter y la buscan ".

La carga útil de Hi-Cal más pequeña no se recupera. Besson dijo que el último vuelo de Hi-Cal duró unos 10 días. Ambos experimentos volverán a volar en conjunto en 2020.

"Estamos intentando calibrar la Antártida, ", Dijo Besson." Si puedes entender la reflectividad de la Antártida, podría realizar una medición precisa del espectro de energía de cada rayo cósmico en su reflexión superficial. Necesita esta medida para desarrollar los efectos de la reflectividad de la superficie ".

Según el investigador de KU, a medida que los científicos detrás de Hi-Cal y ANITA acumulan más datos, esperan poder detectar la fuente de los rayos cósmicos de energía ultra alta.

"Este es uno de los grandes santos griales de la física de rayos cósmicos contemporánea, llamada astrofísica de partículas, ", dijo." El santo grial es identificar un punto en el cielo que está produciendo rayos cósmicos de muy alta energía, pero la gente ha tenido un éxito limitado. Existe alguna evidencia de otros experimentos de que un tipo de galaxia radio-ruidosa llamada blazar puede albergar un agujero negro supermasivo en su centro. Otra fuente podría ser una explosión de rayos gamma. Esperamos que este trabajo pueda ayudar a reducir la fuente; necesita conocer las características de reflectividad de la superficie para obtener esa imagen ".

Besson sugirió que recientemente ANITA pudo haber llegado a un misterio aún más profundo.

"Han detectado una clase de eventos que no parecen encajar ni en el proceso de protones de rayos cósmicos ni en el proceso de neutrinos de rayos cósmicos; su fuente es definitivamente un enigma, ", dijo." ANITA es el único experimento que ha detectado esta clase de eventos. Recientemente, ANITA hizo un anuncio y un par de artículos teóricos de seguimiento ".