I årtionden, NASA har släppt enorma vetenskapliga ballonger i jordens atmosfär, mil över kommersiella flygningar. Ballongprogrammet förbereder för närvarande nya uppdrag med känsliga instrument, inklusive en som är utformad för att undersöka vårt universums födelse och en annan med ballongbaserat ursprung som kommer att flyga på den internationella rymdstationen.

NASA:s primära inflationspolarisationsutforskare (PIPER), som kommer att lansera en serie testflygningar under de närmaste åren, kunde bekräfta teorin om att vårt framväxande universum expanderade med en biljon biljon (1024) gånger omedelbart efter big bang. Denna snabba inflation skulle ha skakat tyget av rymdtid, genererar krusningar som kallas gravitationella vågor. Dessa vågor, i tur och ordning, borde ha producerat detekterbara snedvridningar i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), det tidigaste ljuset i universum förlängdes till mikrovågor idag genom kosmisk expansion. Mönstren kommer att visas i mätningar av hur CMB -ljuset är organiserat, en egenskap som kallas polarisering. Upptäck vridning, pinwheel-liknande polarisationsmönster i CMB kommer att bevisa att inflationen inträffade och ta astrofysiker tillbaka till randen av big bang.

Medan Albert Einsteins teorier exakt beskriver gravitationen i dagens utvidgade kosmos, dessa storskaliga fysiska lagar gällde inte när vårt universum fortfarande var lika stort som en väteatom. För att förena denna skillnad, PIPER kommer att kartlägga hela himlen vid fyra olika frekvenser, skillnad mellan vridningsmönster i CMB (indikerar primitiva gravitationella vågor) och olika polarisationssignaler på grund av interstellärt damm. För att bibehålla känsligheten, teleskopet kommer att flyga nedsänkt i en hink med flytande helium i storleken på en badtunna men mycket svalare - nästan 457 grader under noll Fahrenheit (minus 272 grader Celsius) och nära absolut noll, den kallaste temperaturen möjligt.

PIPER -uppdraget utformades, byggt och testat på NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, i samarbete med Johns Hopkins University i Baltimore, University of British Columbia, Kanada, National Institute of Standards and Technology at Boulder, Colorado, och Cardiff University i Wales.

"Vi hoppas få insikt i vårt tidiga universum när det expanderade från subatomär storlek till större än en planet på mindre än en sekund, "sa Goddards Al Kogut, PIPER:s huvudutredare. "Att förstå inflationen ökar också vår kunskap om partikelfysik med hög energi, där naturkrafterna fungerar oskiljbart från varandra. "

Medan PIPER förbereder sig för att observera ungefär 20 mil över jorden, den senaste iterationen av experimentet Cosmic Ray Energetics and Mass (CREAM) är planerad att lanseras till rymdstationen i augusti. Även om CREAM var ballongburet under sina sex tidigare uppdrag, den nuvarande nyttolasten kommer att ta tekniken förbi jordens atmosfär och ut i rymden. CREAM kommer direkt att prova snabbt rörliga material från utsidan av solsystemet, kallas kosmiska strålar, från sin nya utsiktspunkt på den japanska experimentmodulen - Exposed Facility.

Kosmiska strålar är högenergipartiklar som färdas nära ljusets hastighet som ständigt duschar jorden. Men exakt hur de kommer från och accelererar genom rymden kräver mer studier, liksom deras plötsliga nedgång med energier högre än 1, 000 biljoner elektronvolt. Dessa partiklar har boostats till mer än 100 gånger den energi som kan uppnås med världens mest kraftfulla partikelaccelerator, Large Hadron Collider på CERN.

CREAM - ungefär lika stort som ett kylskåp - kommer att bära renoverade versioner av kiselladdningsdetektorer och joniseringskalorimeter från de tidigare ballonguppdragen över Antarktis. Den orbitala upplagan av CREAM kommer att innehålla två nya instrument:topp/botten -räkningsdetektorerna, bidragit av Kyungpook National University i Daegu, Sydkorea, och en borerad scintillatordetektor för att skilja elektroner från protoner, konstruerad av ett team från Goddard, Pennsylvania State University i University Park och Northern Kentucky University i Highland Heights.

Det internationella samarbetet, ledd av fysikern Eun-Suk Seo vid University of Maryland, College Park, innehåller team från många institutioner i USA samt samarbetsinstitutioner i Republiken Korea, Mexiko och Frankrike. Övergripande hantering och integration av experimentet leddes av NASA:s Wallops Flight Facility på Virginia Eastern Shore under ledning av Linda Thompson, CREAM -projektledaren.

Enligt medutredaren Jason Link, ett universitet i Maryland, Baltimore Countyresearch -forskare som arbetar på Goddard, CREAMs utveckling visar kraften i NASA:s ballongprogram som en utvecklingsbädd för rymdinstrumentering.

"Ett ballonguppdrag kan gå från en idé i en forskares huvud till en flygande nyttolast på cirka fem år, "Sa Link." Faktum är att många forskare som designar experiment för rymduppdrag börjar med ballongfartyg. Det är en kraftfull utbildningsplats för forskare och ingenjörer. "

Som med alla komplexa uppdrag, saker går inte alltid som planerat. Så var fallet med experimentet Balloon Experimental Twin Telescope for Infrared Interferometer (BETTII), avsedd att undersöka kalla föremål som avger ljus i det långt infraröda området i det elektromagnetiska spektrumet.

BETTII lanserades den 8 juni från NASA:s Columbia Scientific Balloon Facility i Palestina, Texas. Även om nästan alla uppdragskomponenter fungerade som de skulle, nyttolasten lossnade från sin fallskärm och föll 130, 000 fot på 12 minuter när flyget slutade dagen efter.

BETTII -huvudutredaren Stephen Rinehart på Goddard uppskattar att det kommer att ta flera år att säkra finansiering och bygga om uppdraget.

Designad, monterad och testad på Goddard i samarbete med University of Maryland, Johns Hopkins University, Cardiff University, University College London och Far-Infrared Interferometric Telescope Experiment team i Japan, BETTII är utformad för att undersöka lägre infraröda frekvenser med en aldrig tidigare skådad upplösning. Medan optiska teleskop som Hubble inte kan se stjärnor inhöljda av tjocka dammmoln, långt infraröda observationer genomborra slöjan, avslöjar hur dessa objekt formas och utvecklas.

"BETTII är ett av de mer komplexa ballongförsöken som någonsin flugit, "Sa Rinehart." Som forskarsamhälle, vi förstår att denna risk är nödvändig för de vetenskapliga och tekniska framsteg vi gör med ballonger. "

Trots allt, precis som risk och misslyckande går hand i hand, så gör risk och belöning.