Ett vetenskapsteam i Antarktis förbereder sig för att lyfta ett ballongburet instrument för att samla in information om kosmiska strålar, högenergipartiklar från bortom solsystemet som kommer in i jordens atmosfär varje ögonblick av varje dag. Instrumentet, kallad Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER), är utformad för att studera sällsynta tunga kärnor, som har ledtrådar om var och hur kosmiska strålar når hastigheter upp till nästan ljusets hastighet.

Lanseringen väntas senast den 10 december, om vädret tillåter.

"SuperTIGERs tidigare flygning varade i 55 dagar, sätta rekord för den längsta flygningen av någon vetenskaplig ballong med tunga lyft, sa Robert Binns, huvudutredaren vid Washington University i St. Louis, som leder uppdraget. "Tiden översatt till en lång exponering, vilket är viktigt eftersom partiklarna vi är ute efter endast utgör en liten del av kosmiska strålar. "

De vanligaste kosmiska strålpartiklarna är protoner eller vätekärnor, utgör ungefär 90 procent, följt av heliumkärnor (8 procent) och elektroner (1 procent). Resten innehåller kärnor av andra element, med minskande antal tunga kärnor när deras massa stiger. Med SuperTIGER, forskare letar efter den sällsynta av de sällsynta – så kallade ultratunga kosmiska strålkärnor bortom järn, från kobolt till barium.

"Tunga element, som guldet i dina smycken, produceras genom speciella processer i stjärnor, och SuperTIGER syftar till att hjälpa oss förstå hur och var detta händer, " sa den ledande medutredaren John Mitchell vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi är alla stjärndamm, men att ta reda på var och hur detta stjärnstoft är gjort hjälper oss att bättre förstå vår galax och vår plats i den."

När en kosmisk stråle träffar kärnan i en molekyl av atmosfärisk gas, båda exploderar i en dusch av subatomära splitter som utlöser en kaskad av partikelkollisioner. Några av dessa sekundära partiklar når detektorer på marken, tillhandahålla information som forskare kan använda för att sluta sig till egenskaperna hos den ursprungliga kosmiska strålen. Men de producerar också en störande bakgrund som avsevärt reduceras av flygande instrument på vetenskapliga ballonger, som når nästan 130 höjder, 000 fot (40, 000 meter) och flyter över 99,5 procent av atmosfären.

De mest massiva stjärnorna smider element till järn i sina kärnor och exploderar sedan som supernovor, sprider materialet i rymden. Explosionerna skapar också förhållanden som resulterar i en kort, intensiv flod av subatomära partiklar som kallas neutroner. Många av dessa neutroner kan "fastna" till järnkärnor. Några av dem sönderfaller sedan till protoner, producerar nya grundämnen tyngre än järn.

Supernova-sprängvågor ger den boost som förvandlar dessa partiklar till kosmiska strålar med hög energi. När en stötvåg expanderar i rymden, den fångar och accelererar partiklar tills de når energier som är så extrema att de inte längre kan innehållas.

Under de senaste två decennierna, bevis samlats från detektorer på NASAs Advanced Composition Explorer-satellit och SuperTIGERs föregångare, det ballongburna TIGER-instrumentet, har gjort det möjligt för forskare att utarbeta en allmän bild av kosmiska strålkällor. Ungefär 20 procent av den kosmiska strålningen troddes härröra från massiva stjärnor och supernovaskräp, medan 80 procent kom från interstellärt damm och gas med kemiska mängder liknande det som finns i solsystemet.

"Inom de senaste åren, det har blivit uppenbart att några eller alla de mycket neutronrika grundämnena som är tyngre än järn kan produceras genom sammanslagningar av neutronstjärnor istället för supernovor, " sa medutredaren Jason Link på Goddard.

Neutronstjärnor är de tätaste föremål som forskare kan studera direkt, de krossade kärnorna av massiva stjärnor som exploderade som supernovor. Neutronstjärnor som kretsar kring varandra i binära system sänder ut gravitationsvågor, som är krusningar i rymdtid som förutses av Einsteins allmänna relativitetsteori. Dessa vågor tar bort orbital energi, får stjärnorna att dra sig allt närmare tills de så småningom kraschar ihop och smälter samman.

Teoretiker beräknade att dessa händelser skulle vara så tjocka av neutroner att de kunde vara ansvariga för de flesta av de mycket neutronrika kosmiska strålarna tyngre än nickel. Den 17 augusti, NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope och National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory upptäckte de första ljus- och gravitationsvågorna från kraschande neutronstjärnor. Senare observationer av rymdteleskopen Hubble och Spitzer indikerar att stora mängder tunga element bildades i händelsen.

"Det är möjligt att neutronstjärnans sammanslagningar är den dominerande källan till tunga, neutronrika kosmiska strålar, men olika teoretiska modeller producerar olika mängder element och deras isotoper, " sa Binns. "Det enda sättet att välja mellan dem är att mäta vad som verkligen finns där ute, och det är vad vi kommer att göra med SuperTIGER."