Arbetet har börjat med ett ambitiöst nytt uppdrag som kommer att bära ett banbrytande 8,4 fot (2,5 meter) teleskop högt in i stratosfären på en ballong. Preliminärt planerad att lanseras i december 2023 från Antarktis, ASTHROS (förkortning av Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-wavelengths) kommer att tillbringa cirka tre veckor med att driva på luftströmmar ovanför den isiga södra kontinenten och uppnå flera förstaplatser längs vägen.

Hanteras av NASA:s Jet Propulsion Laboratory, ASTHROS observerar långt infrarött ljus, eller ljus med mycket längre våglängder än vad som är synligt för det mänskliga ögat. Att göra det, ASTHROS kommer att behöva nå en höjd av cirka 130, 000 fot (24,6 miles, eller 40 kilometer) – ungefär fyra gånger högre än vad kommersiella flygplan flyger. Även om det fortfarande ligger långt under rymdens gräns (cirka 62 miles, eller 100 kilometer, ovanför jordens yta), den kommer att vara tillräckligt hög för att observera ljusvåglängder som blockeras av jordens atmosfär.

Uppdragsteamet lade nyligen sista handen vid designen av observatoriets nyttolast, som inkluderar dess teleskop (som fångar ljuset), dess vetenskapliga instrument, och sådana delsystem som kyl- och elektroniska system. I början av augusti, ingenjörer på JPL kommer att börja integrera och testa dessa delsystem för att verifiera att de fungerar som förväntat.

Även om ballonger kan verka som föråldrad teknik, de erbjuder NASA unika fördelar jämfört med mark- eller rymdbaserade uppdrag. NASA:s Scientific Balloon Program har varit verksamt i 30 år på Wallops Flight Facility i Virginia. Den lanserar 10 till 15 uppdrag per år från platser runt om i världen för att stödja experiment inom alla NASA:s vetenskapsdiscipliner, samt för teknikutveckling och utbildningsändamål. Ballonguppdrag har inte bara lägre kostnader jämfört med rymduppdrag, de har också kortare tid mellan tidig planering och utplacering, vilket innebär att de kan acceptera de högre riskerna som är förknippade med att använda ny eller toppmodern teknik som ännu inte har flugit i rymden. Dessa risker kan komma i form av okända tekniska eller operativa utmaningar som kan påverka ett uppdrags vetenskapliga resultat. Genom att arbeta igenom dessa utmaningar, ballonguppdrag kan skapa förutsättningar för framtida uppdrag för att dra nytta av dessa nya teknologier.

"Ballonguppdrag som ASTHROS är mer riskfyllda än rymduppdrag men ger höga belöningar till blygsamma kostnader, " sa JPL ingenjör Jose Siles, projektledare för ASTHROS. "Med ASTHROS, vi siktar på att göra astrofysiska observationer som aldrig har gjorts tidigare. Uppdraget kommer att bana väg för framtida rymduppdrag genom att testa ny teknik och ge utbildning för nästa generation av ingenjörer och forskare."

Infraröda ögon i himlen

ASTHROS kommer att bära ett instrument för att mäta gasens rörelse och hastighet runt nybildade stjärnor. Under flygning, uppdraget kommer att studera fyra huvudmål, inklusive två stjärnbildande regioner i Vintergatans galax. Den kommer också för första gången att upptäcka och kartlägga närvaron av två specifika typer av kvävejoner (atomer som har förlorat en del elektroner). Dessa kvävejoner kan avslöja platser där vindar från massiva stjärnor och supernovaexplosioner har omformat gasmolnen inom dessa stjärnbildande regioner.

I en process som kallas stjärnfeedback, sådana våldsamma utbrott kan under miljontals år, skingra det omgivande materialet och hindra stjärnbildningen eller stoppa den helt. Men stjärnfeedback kan också få material att klumpa ihop sig, accelererande stjärnbildning. Utan denna process, all tillgänglig gas och damm i galaxer som vår egen skulle ha smält samman till stjärnor för länge sedan.

ASTHROS kommer att göra de första detaljerade 3D-kartorna över tätheten, fart, och rörelse av gas i dessa regioner för att se hur de nyfödda jättarna påverkar deras placentamaterial. Genom att göra så, teamet hoppas få insikt i hur stjärnfeedback fungerar och att ge ny information för att förfina datorsimuleringar av galaxens evolution.

Ett tredje mål för ASTHROS kommer att vara galaxen Messier 83. Genom att observera tecken på stjärnåterkoppling där kommer ASTHROS-teamet att få djupare insikt om dess effekt på olika typer av galaxer. "Jag tror att det är förstått att stjärnfeedback är den främsta regulatorn av stjärnbildning genom universums historia, " sa JPL-forskaren Jorge Pineda, huvudutredare för ASTHROS. "Datorsimuleringar av galaxutvecklingen kan fortfarande inte riktigt replikera verkligheten som vi ser ute i kosmos. Kvävekartläggningen som vi kommer att göra med ASTHROS har aldrig gjorts tidigare, och det ska bli spännande att se hur den informationen hjälper till att göra dessa modeller mer exakta."

Till sist, som sitt fjärde mål, ASTHROS kommer att observera TW Hydrae, en ung stjärna omgiven av en bred skiva av damm och gas där planeter kan bildas. Med sina unika möjligheter, ASTHROS will measure the total mass of this protoplanetary disk and show how this mass is distributed throughout. These observations could potentially reveal places where the dust is clumping together to form planets. Learning more about protoplanetary disks could help astronomers understand how different types of planets form in young solar systems.

A Lofty Approach

To do all this, ASTHROS will need a big balloon:When fully inflated with helium, it will be about 400 feet (150 meters) wide, or about the size of a football stadium. A gondola beneath the balloon will carry the instrument and the lightweight telescope, which consists of an 8.4-foot (2.5-meter) dish antenna as well as a series of mirrors, lenses, and detectors designed and optimized to capture far-infrared light. Thanks to the dish, ASTHROS tied for the largest telescope to ever fly on a high-altitude balloon. During flight, scientists will be able to precisely control the direction that the telescope points and download the data in real-time using satellite links.

Because far-infrared instruments need to be kept very cold, many missions carry liquid helium to cool them. ASTHROS will instead rely on a cryocooler, which uses electricity (supplied by ASTHROS' solar panels) to keep the superconducting detectors close to minus 451.3 degrees Fahrenheit (minus 268.5 degrees Celsius)—a little above absolute zero, the coldest temperature matter can reach. The cryocooler weighs much less than the large liquid helium container that ASTHROS would need to keep its instrument cold for the entire mission. That means the payload is considerably lighter and the mission's lifetime is no longer limited by how much liquid helium is on board.

The team expects the balloon will complete two or three loops around the South Pole in about 21 to 28 days, carried by prevailing stratospheric winds. Once the science mission is complete, operators will send flight termination commands that separate the gondola, which is connected to a parachute, from the balloon. The parachute returns the gondola to the ground so that the telescope can be recovered and refurbished to fly again.

"We will launch ASTHROS to the edge of space from the most remote and harsh part of our planet, " said Siles. "If you stop to think about it, it's really challenging, which makes it so exciting at the same time."