För femtioåtta dagar sedan, en nästan vindstilla morgon på Ross Ice Shelf, flyger en ballong i stadionstorlek över Antarktis, med infraröd teknologi från University of Arizonas Steward Observatory på jakt efter ledtrådar om stjärnlivscykeln i vår galax och bortom.
GUSTO – förkortning för Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic Terahertz Observatory – har nu slagit rekordet som NASA:s längsta flygande ballonguppdrag med tunga lyft, som tidigare stod på 55 dagar, 1 timme och 34 minuter. För närvarande rider den enorma nolltrycksballongen stratosfäriska luftströmmar 120 000 fot över den antarktiska kontinenten och samlar in långt infraröda radiostrålar från ämnet mellan stjärnor. GUSTO överträffade det tidigare rekordet klockan 10:22 lördag Tucson-tid.
De svaga terahertz-signalerna som GUSTO söker – med frekvenser upp till en miljon gånger högre än vågorna som sänds ut av en FM-radio – absorberas lätt av vattenånga i jordens atmosfär innan de kan nå markbaserade teleskop. Endast mycket torra eller höga platser är väl lämpade för observatorier som fångar några av dessa svårfångade fotoner, såsom den höga Atacamaöknen och Sydpolen.
I jakten på torrare förhållanden "drivs vi att åka till fler och mer avlägsna platser", säger Steward Observatory astronomiprofessor Chris Walker, huvudforskare för GUSTO-uppdraget, som har arbetat med teleskopprojekt i Antarktis sedan 1994. Ballongvetenskap öppnar nytt möjligheter för det snabbt utvecklande området för terahertz-spektroskopi, vilket gör det möjligt för observatörer att samla in långt infraröda signaler innan de går förlorade i de lägre skikten av atmosfären, till en bråkdel av kostnaden för ett helt rymdbaserat teleskop.
Ballongteleskop som GUSTO förenar styrkan med rymdobservation med närheten till jordbaserade operationer, och de kommer med unika utmaningar. En lyckad uppskjutning kräver ett perfekt väderfönster, med låga vindhastigheter både på marken och i stratosfären.
När förhållandena tillåter är själva uppskjutningen ett högdramatiskt spektakel. Stödlastbilar som körs ut på ishyllan röret helium in i ballongen, som flikar och klappar "som ett segel" när den fylls, sa Walker. "Du börjar höra ruset från helium när ballongen blåses upp, och när de släpper den mullrar den när den vecklas ut." Det här är en tuff tid - om det finns en brist eller en vindskjuvning kan ballongen rivas. Om det rekordstora projektet sa Walker "ballongflygning är det svåraste jag har gjort professionellt, men det är också det mest givande."
Om allt går bra – som den gjorde för GUSTO – lyfter ballongen teleskopet inuti sin specialiserade gondol och bär det 22 miles över jorden till den avlägsna sömmen mellan stratosfären och rymden. Härifrån förlitar sig astronomer på de cirkulära vindströmmarna ovanför den antarktiska kontinenten under sommaren på södra halvklotet för att bära ballongen i breda slingor och samla in ljussignaturerna från kosmiska kemikalier.
Ombord på GUSTO samlar emissionslinjedetektorer molekylär information om det interstellära mediet – den kosmiska gasen och stoftet mellan stjärnor som föder nya stjärnor och galaxer.
"Vi var alla en del av det interstellära mediet - varje atom och molekyl i din kropp var någon gång gas och damm som flödade mellan stjärnorna," sa Walker. För att komplicera saken är universums kemi annorlunda idag än den var efter big bang. För att förstå historien om stjärnbildning i universum – och i förlängningen berättelsen om vårt eget ursprung – är astronomer intresserade av att jämföra sammansättningen av det interstellära mediet i galaxer av olika åldrar.
GUSTO syftar till att kartlägga fördelningen av kol, syre och kväve i den unga Vintergatan och i det närliggande Stora Magellanska molnet, som har egenskaper som är jämförbara med mycket äldre galaxer. En jämförelse av de två galaxerna kommer att hjälpa GUSTO-teamet att tillhandahålla den första kompletta spektroskopiska studien av alla faser av stjärnans livscykel, från utvecklingen av interstellära gasmoln, till bildandet av stjärnväxter, till födelsen och utvecklingen av stjärnor.
GUSTO-uppdraget har färdats en lång väg för att nå stratosfären. Walkers team lämnade in ett förslag till NASA Explorer-program 2014, och projektet valdes ut av NASA 2017. Gondolen för uppdraget byggdes av Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory; Walkers team från Steward Observatory vid UArizona tillhandahöll teleskopet och instrumenteringen – kallad "nyttolasten" – och arbetade tillsammans med olika partners inklusive NASA:s Jet Propulsion Laboratory.
I augusti 2023 utförde GUSTO-teamet ett hängtest vid NASA Columbia Scientific Balloon Facility i Palestina, Texas. Därifrån reste den helt integrerade gondolen och nyttolasten, som vägde ungefär lika mycket som en SUV, till Antarktis ombord på ett NASA C-130H fraktflygplan - första gången ett ballonguppdrag hade skickats helt monterat med flyg. I Antarktis tillbringade GUSTO-teamet höst- och vintermånaderna med dagliga 12-kilometersturer från McMurdo Station till hangaren för att förbereda teleskopet för uppskjutning, och färdades ombord på antarktiska skåpbilar med kolossala lågtrycksdäck över den frusna terrängen.
Den 31 december, ett decennium efter att GUSTO-teamet hade lämnat in sitt forskningsförslag, startade uppdraget mitt i låga vindar och klar himmel, den vita ballongen böljade upp mot bakgrunden av det isiga berget Erebus.
På UArizona campus fortsätter GUSTO-forskare att träna uthållighet under extrema förhållanden. Medan många medlemmar av GUSTO-teamet reste till McMurdo Station för att förbereda för uppdragets lansering, "utplacerade" Craig Kulesa, Steward Observatory docent forskningsprofessor och GUSTO biträdande huvudutredare, till Applied Research Building på UArizona campus, sade Walker. Därifrån, i ett fönsterlöst rum, sköter Kulesa nyttolasten under flygning, och sover ofta på golvet och delar kontrollerna med ett Steward Observatory-team.
Data anländer i realtid genom ett mångsidigt nätverk av telekommunikationsteknologier, inklusive geosynkrona satelliter, Iridium och StarLink. GUSTO-teammedlemmar på UArizona och Johns Hopkins arbetar dygnet runt för att övervaka och fjärrstyra instrumenteringen respektive gondolen. En 24-timmars zoomlinje förbinder partners över kontinenter, från Harvard till Holland.
Walker tog upp ett liveflöde av GUSTOs flygbana och visade vägen som ballongen redan har färdats ovanför den 5,4 miljoner kvadratkilometer stora kontinenten, var och en av olika färger på skärmen. Uppdraget har inget fastställt datum för landning – för första gången har NASA gett tillstånd för ballongen att flyga så länge den kan, även om den förirrar sig bortom kanten av den antarktiska kontinenten eller landar där den inte kan hämtas.
Det kommer att bli det längsta stratosfäriska tunglyftsballonguppdraget i historien. Av den rekordstora flygningen.
"GUSTO har bevisat att ballonger kan användas för att göra riktigt banbrytande vetenskap, inte bara för några dagar, utan över veckor och veckor av tid", sa Walker.
Flygningens längd kommer i slutändan att dikteras av hur länge kylsystemet kan köras (ombord förväntas en tank för flytande helium hålla i mars) och av temperaturförändringen när antarktiska dagar börjar förkortas. Ballonger som GUSTO kan bara flyga långvariga uppdrag under sommaren i polarområden, där ballongen förblir i konstant solljus och inte sjunker i den svalkande nattluften.
De överlappande blå, gröna och röda signaturerna av GUSTOs flygslingor dyker upp små på Walkers skärm, men de representerar ett enormt steg i terahertz-astronomi:4 800 pund UArizona-teknik som rör sig längst ut i atmosfären längre än någonsin tidigare.
Om Walkers nästa forskningsförslag går igenom kan samma instrumentering som för närvarande finns ombord på GUSTO testas i rymden, i jakt på de svårfångade långt infraröda signaturerna av planetbildande system och beboeliga zoner.
"Om du inte trycker på kanten, vad är poängen?" sa Walker.
Tillhandahålls av University of Arizona
