Att sväva cirka 23 mil över sydpolen, ett experiment från University of Kansas slängt från en väderballong på hög höjd beräknar hur Antarktis yta reflekterar radiosignaler orsakade av kosmiska strålar med ultrahög energi.

Hi-Cal-experimentet (High-Altitude Calibration) går runt Sydpolen, släpar hundratals mil bakom ytterligare ett kluster av instrument fastspända på en mycket större ballong, kallas ANITA (för Antarctic Impulsive Transient Antenna, och finansierat av NASA sedan 2003). Det ultimata experimentella målet är att mäta ultrahögenergi neutrinos och ultrahögenergi kosmiska strålar som interagerar i Antarktis is, eller med jordens atmosfär, skapa radiovågor.

För att förstå syftet med Hi-Cal, att först förstå ANITAs forskningsuppdrag är nyckeln.

"ANITA-experimentet är att upptäcka kosmiska strålar med ultrahög energi, och dessa detekteras på grund av den radiofrekventa strålning som produceras när en kosmisk stråle träffar en jordbunden molekyl - som skapar spray av skräp inklusive partiklar och radiofrekvent strålning, sa David Besson, professor i fysik &astronomi vid KU, som leder Hi-Cal-teamet.

Besson sa att de kommande kosmiska strålarna genererar radiofrekvenser som detekteras av ANITA främst som ytreflektioner, studsar tillbaka upp från Antarktis yta.

"För att förstå egenskaperna från radiofrekvenserna som ANITA samlar in, du måste förstå ytreflektiviteten, sa Besson.

Det är här Hi-Cal-experimentet som drivs av KU kommer in i spelet.

"Hi-Cal är ett följeslagarexperiment som flyger var som helst från 125 till 620 miles bakom huvudnyttolasten och skickar ut en ping, " sa Besson. "Den där radiofrekvenspingen, som har en varaktighet på 10 till 20 nanosekunder, detekteras av ANITA som kommer direkt från Hi-Cal-sändaren samt från ytreflektion från Antarktis. Genom att titta på förhållandet mellan de två signalerna kan du sluta dig till ytegenskaperna hos antarktisk snö."

Medan den ledande ANITA-ballongen är lastad med tusentals dollar av högteknologisk prylar, den uppföljande Hi-Cal-ballongen använder en piezoelektrisk tändare som alla kan köpa i en järnaffär som sin ping-enhet.

"Hjärtat i Hi-Cal-projektet är en grilltändare för $10, " sa Besson. "Det är en mycket smart idé som ett par doktorander visade kunde fungera. När vi slog på den i det första uppdraget för tre år sedan, ANITA registrerade omedelbart signaler från Hi-Cal 500 miles away. Fördelen med Antarktis är att det är så radiotyst, detta är möjligt – här i Lawrence, Kansas, det skulle vara utmanande med så mycket radiobrus."

Till skillnad från tändare med flintmekanism, piezoelektriska tändare fungerar när de komprimeras mekaniskt och plötsligt släpps.

"Den lagrade mekaniska energin, om du tänker på det som en vår, visas som en mycket hög spänning, " sa Besson. "Med denna piezoelektriska tändare, vi kunde generera spänningar som var så mycket som $20, 000 signalgeneratorer måste du beställa. Nackdelen är att det kräver finjustering för att optimera."

Finansierat med $230, 000 av NASA-finansiering för ungefär tre år sedan, Hi-Cal-ballongen med sin grill-tändare ping har flugit tre experimentella uppdrag i en strävan att bättre förstå Antarktis reflektionsförmåga till radiofrekvenser. Nyckelforskare vid KU som arbetar med experimentet inkluderar Steven Prohira, Sasha Novikov, Jessica Stockham och Mark Stockham.

"Vi har en lansering vartannat år, " sa Besson. "Ballongen går upp och cirklar runt. I Antarktis, där är den cirkumpolära virveln. Om du skjuter upp en ballong, den flyger i en cirkel runt polen tills vinden börjar föra den bort från kontinenten och mot havet. När det händer, du skickar en signal att släppa ANITA nyttolasten. Denna senaste nyttolast släpptes i januari förra året, och just nu finns det ett återställningsteam inklusive två medlemmar från KU som hämtar den experimentella hårdvaran. De flyger till platsen med Twin Otter-flygplan och jagar efter det."

Den mindre Hi-Cal nyttolasten återvinns inte. Besson sa att den sista flygningen med Hi-Cal varade i cirka 10 dagar. Båda experimenten kommer att flyga i tandem igen 2020.

"Vi försöker kalibrera Antarktis, " sa Besson. "Om du kan förstå Antarktis reflektion, du kan göra en noggrann mätning av energispektrumet för varje kosmisk stråle i dess ytreflektion. Du behöver denna mätning för att utveckla effekter av ytreflektivitet."

Enligt KU-forskaren, eftersom forskarna bakom både Hi-Cal och ANITA samlar mer data, de hoppas kunna upptäcka källan till de ultrahögenergiska kosmiska strålarna.

"Detta är en av de stora heliga gralerna i samtida kosmisk strålningsfysik, kallas partikelastrofysik, " sa han. "Den heliga gralen är att identifiera en punkt på himlen som producerar mycket högenergi kosmiska strålar, men människor har haft begränsad framgång. Det finns några bevis från andra experiment att en typ av radioljud galax som kallas blazar kan hysa ett supermassivt svart hål i dess centrum. En annan källa kan vara en gammastrålning. Vi hoppas att detta arbete kan hjälpa till att begränsa källan – du måste känna till egenskaperna för ytreflektion för att få den bilden."

Besson föreslog att ANITA nyligen kan ha landat på ett ännu djupare mysterium.

"De har upptäckt en klass av händelser som inte tycks passa vare sig kosmisk strålningsproton eller kosmisk strålens neutrinoprocess - deras källa är definitivt ett pussel, " sade han. "ANITA är det enda experimentet som har upptäckt denna klass av händelser. Det kom ett tillkännagivande från ANITA och ett par uppföljande teoriuppsatser nyligen."