UAH är en del av ett NASA-finansierat team av forskare som stödjer EUSO-SPB2, som är planerad att lanseras 2022. Här, en prototypoptik med en diameter på 1,5 meter i subskala, producerad i Japan av Riken, testas vid UAH:s Center for Applied Optics. Denna designmetod använder Fresnel-linser, liknande de som används i fyrar, att packa mycket optisk kraft i ett lättviktssystem. Kredit:University of Alabama i Huntsville
Ett team av forskare vid University of Alabama i Huntsville (UAH) har tilldelats NASA-finansiering som en del av en stor, fem år långt amerikanskt samarbete för att flyga ett ultralångt ballonguppdrag med tre innovativa ultrakänsliga teleskop för att känna av kosmiska strålar och neutriner som kommer från rymden. Planerad för lansering 2022, andra generationens Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon (EUSO-SPB2) är ett stort steg mot ett planerat uppdrag att skicka en sond till rymden.
"UAH har varit involverad i denna forskning i över 20 år, med vetenskapen som ursprungligen leddes här av den avlidne fysikprofessorn Yoshi Takahashi, " säger Dr Patrick Reardon, som fungerar som chef för UAH:s Center for Applied Optics (CAO) och som huvudutredare för UAH-insatsen. "Sedan dess, ett team från CAO, inklusive optisk designer Ken Pitalo och flera studenter, har skapat och testat några extraordinära optiska konstruktioner."
Vetenskapen som driver denna undersökning är ett sökande efter källan till ultrahögenergipartiklar från rymden som träffade vår jord. En typ av dessa partiklar är kosmiska strålar:subatomära kärnor som rör sig från alla håll i rymden, accelereras av supernovor och andra okända kosmiska fenomen. Lika mystiska är neutriner, "spökpartiklarna" som passerar genom oss hela tiden, mestadels oupptäckt.
Även om det finns mycket vi inte vet om neutriner, det mest akuta problemet är var de kommer ifrån. Allt som är känt är att baserat på studier vid Pierre Auger Observatory i Argentina, de mest energiska kosmiska strålarna som träffar jorden kommer från bortom vår egen galax. De mest extrema kosmiska strålarna och neutrinerna ger flest ledtrådar till deras ursprung och resor eftersom de kan motstå effekterna av magnetiska fält i rymden som kröker vägarna för svagare partiklar. Dessa är vad detta nya NASA-finansierade ballongexperiment kommer att jaga.
"Det här programmet kommer att hjälpa oss att lösa det stora mysteriet om var i universum dessa mycket energiska partiklar kommer ifrån, och hur de kan göras, " säger Dr Angela Olinto, University of Chicago Albert A. Michelson Distinguished Service Professor i astronomi och astrofysik och huvudutredare av samarbetet.
Eftersom det finns relativt få kosmiska partiklar som kolliderar med jorden, EUSO-SPB2 kommer inte att känna av dem direkt. Istället, det ballongburna experimentet kommer att leta efter spåren av ultraviolett och synligt ljus (fotoner) som genereras i partiklarnas spår när de flyger genom jordens atmosfär. För att öka sannolikheten att få data om partiklarna, den kommer att placeras på en höjd av 100, 000 fot, tillräckligt hög för att övervaka en stor volym av vår atmosfär.
Det ursprungliga designkonceptet för den innovativa, ultrakänslig, observatorium med tre teleskop, som kommer att plocka upp kosmiska strålar och neutriner som kommer från rymden. Kredit:University of Alabama i Huntsville
Utmaningen, dock, designar ett optiskt system som tar hänsyn till både det begränsade antalet fotoner som genereras och den mycket höga hastigheten med vilken bilderna måste tas. Det måste inte bara ha mycket mer ljusinsamlingskraft än NASA:s James Webb Space Telescope (JWST), men den måste också passa på och lyftas med en ballong.
"Även om JWST har en massiv primär uppsamlingsspegel som är 6,4 meter, eller 20 fot, i diameter, dess synfält är bara 0,3 gånger 0,15 grader, " säger Dr. Reardon. "Däremot, medan EUSO-SPB2 använder optik med en uppsamlingsyta som bara är 1 meter i diameter, dess synfält är 45 gånger 5 grader." Multiplicera uppsamlingsområdet med synfältet, och UAH-systemet har cirka 100 gånger genomströmningen av JWST.
Enligt Dr. Reardon, det är precis den typ av projekt som CAO har expertis inom optisk ingenjörsteknik. "Först måste vi omvandla vetenskapens behov till praktiska optiska specifikationer, " säger han. "Då designar vi optiken, se till att de framgångsrikt kan tillverkas och monteras." I vissa fall, den optiken tillverkas på plats vid UAH. Efter det, han fortsätter, "vi utvecklar anpassnings- och testinstrument och procedurer, och till och med hjälpa till med distributionen av systemet." Det här är de möjligheter som CAO tillför varje projekt.
Förutom att designa och säkerställa att optiken är korrekt monterad, CAO arbetar med Dr James Adams och Dr Evgeny Kuznetsov från UAH:s Center for Space Plasma and Aeronomic Research för att stödja kraftsystemen, detektorutveckling, och marktester, som alla är avgörande för uppdragets framgång.
Ballongen i storleken på fotbollsplanen, som kan resa i månader på 30 mil in i atmosfären och bära de banbrytande 30, 000 pund observatorium, kommer att bära upp till tre av dessa teleskop – var och en inställd för att leta efter specifika egenskaper som hjälper till att identifiera de kosmiska partiklarna. Uppdraget kommer att starta från Nya Zeeland så att ballongen kan fånga en tur på den polära jetströmmen som cirkulerar den nedre delen av jordklotet. Målet är att ballongen ska göra flera resor runt Antarktis under loppet av 100 eller fler dagar.
Flygningen kommer att ge proof of concept för den planerade Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA), ett par kretsande satelliter med samma kapacitet men med flera storleksordningar mer känslighet. UAH är en del av ett team av forskare och NASA-ingenjörer ledda av Dr. Olinto som designar POEMMA-uppdraget för övervägande av 2020 års Astronomy and Astrophysics Survey, en vetenskaplig prioritering för årtiondet ledd av National Academy of Sciences.
