NASA och Korea Astronomy and Space Science Institute, eller KASI, gör sig redo att testa ett nytt sätt att se solen, högt över New Mexicos öken.

En ballong – stor nog att krama en fotbollsplan – är planerad att flyga tidigast den 26 augusti, 2019, bär under sig ett solar kikare som kallas BITSE. BITSE är en koronagraf, ett slags teleskop som blockerar solens ljusa ansikte för att avslöja dess mörkare atmosfär, kallas corona. Förkortning för ballongburen undersökning av temperatur och hastighet hos elektroner i korona, BITSE försöker förklara hur solen spottar ut solvinden.

Solvinden är strömmen av laddade partiklar som ständigt blåser från solens yttre atmosfär, sköljer över hela solsystemet. Medan forskare i allmänhet vet var det bildas, exakt hur det gör det förblir ett mysterium. Men att låsa upp solvindens natur är nyckeln till att förutsäga hur solutbrott färdas. Solvinden är lite som en vattenrutschbana:Dess flöde avgör hur en solstorm trummar genom rymden. Ibland, stormarna kraschar in i jordens magnetfält, orsakar störningar som kan störa satelliter och vardagliga kommunikationssystem som radio eller GPS.

Ett samarbete mellan NASA och KASI, BITSE demonstrerar ett nytt sätt att studera solvinden. Medan standardkoronagrafer fångar koronans densitet, BITSE mäter också temperaturen och hastigheten för elektroner i solvinden för att hjälpa till att förstå de kraftfulla krafter som accelererar dem till hastigheter på 1 miljon miles per timme. BITSE:s ballongflygning är ett nyckelsteg i testningen och utvecklingen av detta instrument, och kommer att hjälpa teamet av forskare och ingenjörer att finjustera sin teknik för framtida rymdfärder.

"Detta är en koronagraf som kan mäta dessa tre egenskaper, allt som du behöver för att förstå hur solvinden bildas och accelereras, sa Nat Gopalswamy, BITSE huvudutredare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Genom att förbättra koronagraferna, BITSE främjar vår förståelse av själva corona, drivkraften bakom solpartiklarna som fyller rymden runt jorden – vilket i slutändan förbättrar vår förmåga att förutsäga väder i rymden.

Flyger till kanten av atmosfären

Innan lanseringen, på småtimmarna på morgonen, tekniker från NASA:s Columbia Scientific Balloon Facility's fältplats i Fort Sumner, New Mexico, kommer att göra ballongen redo för flygning, delvis fylla det stora plastkuvertet med helium. Ballongen är gjord av polyeten - samma material som matkassar är gjorda av - och är ungefär lika tjock som en smörgåspåse i plast, men mycket starkare. När ballongen stiger högre över ytan och atmosfärstrycket sjunker, gasen i ballongen expanderar och den sväller.

BITSE kommer att slingra sig uppåt tills den är cirka 22 mil över marken. Där, det kommer att kusta, ta bilder av solens sjudande heta atmosfär. Vid slutet av dagen, den kommer att ha samlat in så mycket som 64 gigabyte – värda 40 långfilmer – av data.

BITSE:s resa till himlen började med en förmörkelse. Coronagraphs fungerar genom att efterlikna förmörkelser; som månen, en metallskiva – kallad ockulter – blockerar solen, att få corona i rampljuset. Under den 21 augusti, 2017, total solförmörkelse, Gopalswamy och hans team testade nyckeldelar av instrumentet i Madras, Oregon. På bara två minuter av helhet, de tog 50 bilder – och visade utmaningarna och fördelarna med att använda instrumentets speciella teknik.

Nu, teamet är inte längre begränsat till skyndsam forskning i månens skugga. En ballong tar deras instrument till kanten av atmosfären, dit den ska flyga i minst sex timmar. Ballonger erbjuder ett billigt sätt att komma åt denna region, tillåta forskare att göra mätningar och utföra tester som de inte kan från marken. Där, BITSE kan samla in sina bilder med mycket mindre bakgrundsljus än från marken, som stör observationer av den svaga koronan.

En ny typ av koronagraf

BITSE kombinerar flera viktiga teknologier. Först, instrumentet är konstruerat med ett enda ockultsteg. Sedan, det finns en speciell kamera som fångar polariserat ljus – ljusvågor som guppar i vissa riktningar. Forskare använder dessa foton för att kartlägga elektrondensitet, eller hur många elektroner som finns i koronan och var.

Typiska koronagrafer använder ett hjul som cirkulerar genom polarisatorfilter - vart och ett orienterat i olika vinklar - och kombinerar bilderna för att få det polariserade ljuset. BITSEs polarisationskamera analyserar observationerna pixel för pixel, göra processen mer tillförlitlig genom att minska antalet rörliga delar.

"Vi limmade hela arket med mikropolarisatorer ovanpå kameradetektorn, så vi behöver inte polarisationshjulet, sa Qian Gong, BITSE ledande optikingenjör på Goddard.

BITSE har även ett filterhjul, som blockerar allt koronans ljus förutom fyra specifika våglängder. Förhållandena mellan dessa olika våglängder ger forskarna temperaturen och hastigheten för elektroner i korona - mätningar som de inte kan få från marken, även under en förmörkelse. Genom att fokusera på en tidigare ostuderad del av koronan som är nyckeln till solvindsbildning, forskarna hoppas kunna samla nya ledtrådar till dess ursprung. En dag, en version av BITSE skulle kunna göra dessa mätningar från rymden, förlänga sin observationstid från timmar till månader.

Mer än 22 miles över ytan, BITSE kommer att driva högt över fåglarnas rike, flygplan, väder, och själva den blå himlen. Höjden erbjuder unika utmaningar, sa Gong. Vissa designelement är specifika för ballongflygning, som BITSE:s temperaturkänsliga optik. Ett termiskt system ombord ser till att BITSE inte blir för kallt under uppstigningen. Även limmet de använde på polarisationsfiltren var noggrant utvalt både för att ge bra vidhäftning och motstå de förväntade temperaturerna. En förskjutning på bara några mikrometer – ett genomsnittligt människohår är 75 mikrometer i diameter – som svar på den kyliga övre atmosfären kan påverka deras data, hon förklarade, eftersom varje pixel är 7,5 mikron bred.

På så höga höjder, himlen är mörkare; där atmosfären är tunn, det finns få luftpartiklar som sprider ljus. Jämfört med marken, det är mycket bättre förutsättningar för en koronagraf. Fortfarande, kanten på atmosfären är ljusare än rymden.

"Himlens ljusstyrka begränsar i grunden vad vi kan se, och driver vårt behov av att gå till nästa steg:observationer från rymden, ", sa Goddards solforskare Jeff Newmark. Tillsammans, Gopalswamy och Newmark leder laget som skickar BITSE till himlen, ett steg närmare rymden, där det inte finns något störande bakgrundsljus.

Ett sant samarbetsuppdrag, BITSE innehåller omfattande bidrag från både NASA och KASI. NASA tillhandahöll den huvudsakliga optiken, mekanisk, pekande, kommunikation, och gondolförsamlingar, samt övergripande ledning och lansering av uppdraget, medan KASI gav filterhjulet, instrument dator och kamerasystem, bland andra bidrag.

Höga mål

I slutet av BITSE:s flygning, tekniker på Fort Sumner-fältet kommer att skicka avslutningskommandon, startar en sekvens som separerar instrumentet och ballongen, sätter ut instrumentets fallskärm, och punkterar ballongen. Ett flygplan som cirkulerar ovanför kommer att hålla koll på ballongens sista ögonblick, och vidarebefordra BITSE:s plats. Timmar senare, långt ifrån där det började, koronagrafen kommer att hoppa fallskärm till marken. En besättning kommer att köra in i öknen för att hämta både ballongen och BITSE i slutet av dagen.

Data från BITSE:s flygning kommer att vara användbar för de modeller som forskare använder för att förutsäga rymdväder. Men teamet kommer att titta på flygningen för att validera BITSE:s design och prestanda i en nära rymdmiljö. Från deras fältkampanj som observerade solförmörkelsen i augusti 2017 till årets ballongflygning och så småningom, rymdfärd, laget har fortsatt att sikta högre upp.