Un equipo de investigadores de la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH) ha recibido fondos de la NASA como parte de un gran Colaboración estadounidense de cinco años para volar una misión en globo de duración ultralarga con tres telescopios ultrasensibles innovadores para detectar rayos cósmicos y neutrinos provenientes del espacio profundo. Planeado para su lanzamiento en 2022, El Observatorio Espacial del Universo Extremo de segunda generación en un globo de súper presión (EUSO-SPB2) es un paso importante hacia una misión planificada para enviar una sonda al espacio.

"La UAH ha estado involucrada en esta investigación durante más de 20 años, con la ciencia inicialmente dirigida aquí por el difunto profesor de física Yoshi Takahashi, "dice el Dr. Patrick Reardon, quien se desempeña como director del Centro de Óptica Aplicada (CAO) de la UAH y como investigador principal del esfuerzo de la UAH. "Desde entonces, un equipo de la CAO, incluido el diseñador óptico Ken Pitalo y varios estudiantes, ha estado creando y probando algunos diseños ópticos extraordinarios ".

La ciencia que impulsa esta investigación es la búsqueda de la fuente de partículas de energía ultra alta del espacio que golpearon nuestra Tierra. Un tipo de estas partículas son los rayos cósmicos:núcleos subatómicos que viajan desde todas las direcciones en el espacio, acelerado por supernovas y otros fenómenos cósmicos desconocidos. Similarmente misteriosos son los neutrinos, las "partículas fantasma" que pasan a través de nosotros todo el tiempo, en su mayoría sin ser detectado.

Si bien hay mucho que no sabemos sobre los neutrinos, la preocupación más urgente es de dónde vienen. Todo lo que se sabe es que basado en estudios en el Observatorio Pierre Auger en Argentina, los rayos cósmicos más energéticos que golpean la Tierra provienen de más allá de nuestra propia galaxia. Los rayos cósmicos y neutrinos más extremos ofrecen la mayor cantidad de pistas sobre sus orígenes y viajes porque pueden resistir los efectos de los campos magnéticos en el espacio que curvan las trayectorias de las partículas más débiles. Esto es lo que buscará este nuevo experimento con globos financiado por la NASA.

"Este programa nos ayudará a resolver el gran misterio del lugar del universo de donde provienen estas partículas altamente energéticas, y cómo se podrían hacer "dice la Dra. Angela Olinto, el Profesor de Servicio Distinguido Albert A. Michelson de la Universidad de Chicago en Astronomía y Astrofísica e investigador principal de la colaboración.

Debido a que hay relativamente pocas partículas cósmicas que chocan con la Tierra, EUSO-SPB2 no los detectará directamente. En lugar de, El experimento transportado por globos buscará los rastros de luz ultravioleta y visible (fotones) que se generan en la estela de las partículas mientras vuelan a través de la atmósfera de la Tierra. Para aumentar la probabilidad de obtener datos sobre las partículas, se colocará a una altitud de 100, 000 pies, lo suficientemente alto como para monitorear un gran volumen de nuestra atmósfera.

El reto, sin embargo, está diseñando un sistema óptico que tiene en cuenta tanto el número limitado de fotones que se generan como la altísima velocidad a la que deben adquirirse las imágenes. No solo debe tener mucho más poder de recolección de luz que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, pero también debe encajar y ser levantado por un globo.

"Aunque el JWST tiene un enorme espejo colector primario de 6,4 metros, o 20 pies, en diámetro, su campo de visión es de solo 0,3 por 0,15 grados, "dice el Dr. Reardon". Por el contrario, mientras que el EUSO-SPB2 utiliza ópticas con un área colectora de solo 1 metro de diámetro, su campo de visión es de 45 por 5 grados ". Multiplicando el área de recolección por el campo de visión, y el sistema UAH tiene aproximadamente 100 veces el rendimiento de JWST.

Según el Dr. Reardon, este es exactamente el tipo de proyecto para el que la CAO tiene la experiencia en ingeniería óptica. "Primero tenemos que convertir las necesidades científicas en especificaciones ópticas prácticas, ", dice." Luego diseñamos la óptica, asegurando que puedan ser fabricados y ensamblados con éxito ". En algunos casos, esas ópticas se producen in situ en UAH. Después, él continúa, "Desarrollamos los instrumentos y procedimientos de alineación y prueba, e incluso ayudar en la implementación del sistema ". Estas son las capacidades que la CAO aporta a cada proyecto.

Además de diseñar y asegurar que las ópticas estén correctamente ensambladas, la CAO está trabajando con el Dr. James Adams y el Dr. Evgeny Kuznetsov del Centro de Investigación Aeronómica y Plasma Espacial de la UAH para respaldar los sistemas de energía, desarrollo de detectores, y pruebas en tierra, todos los cuales son fundamentales para el éxito de la misión.

El globo del tamaño de un campo de fútbol, que puede viajar durante meses a 20 millas en la atmósfera llevando el pionero 30, Observatorio de 000 libras, llevará hasta tres de estos telescopios, cada uno sintonizado para buscar características específicas que ayuden a identificar las partículas cósmicas. La misión se lanzará desde Nueva Zelanda para que el globo pueda viajar en la corriente en chorro polar que rodea la parte inferior del globo. El objetivo es que el globo realice varios viajes alrededor de la Antártida en el transcurso de 100 días o más.

El vuelo proporcionará una prueba de concepto para la Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) planificada, un par de satélites en órbita con las mismas capacidades pero con varios órdenes de magnitud más de sensibilidad. La UAH es parte de un equipo de científicos e ingenieros de la NASA dirigido por el Dr. Olinto que están diseñando la misión POEMMA para su consideración por la Encuesta de Astronomía y Astrofísica 2020. una priorización científica para la década liderada por la Academia Nacional de Ciencias.