2012, det ballongburna observatoriet känt som Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER) tog till skyarna för att utföra höghöjdsobservationer av Galactic Cosmic Rays (GCRs). Fortsätter i sin föregångares tradition ( TIGER ), satte SuperTiger ett nytt rekord efter att ha genomfört en 55-dagars flygning över Antarktis – vilket skedde mellan december 2012 och januari 2013.
Den 16 december 2019, efter flera uppskjutningsförsök, tog observatoriet i luften igen och passerade Antarktis två gånger inom loppet av bara tre och en halv vecka. Precis som sin föregångare är SuperTIGER ett samarbetsprojekt utformat för att studera kosmiska strålar – högenergiprotoner och atomkärnor – som har sitt ursprung utanför vårt solsystem och som reser genom rymden med nära ljusets hastighet.
SuperTIGER-programmet är ett samarbete mellan Washington University i St. Louis, University of Minnesota, och NASA:s Goddard Space Flight Center (GSFC) och Jet Propulsion Laboratory vid California Institute of Technology (Caltech). Detta ballongfödda instrument är designat för att studera den sällsynta typen av kosmisk strålning som består av atomkärnor av tunga grundämnen.
Det yttersta målet är att lära sig var och hur dessa strålar kan uppnå hastigheter bara skymt för ljusets hastighet, samt testa den framväxande modellen där kosmiska strålar tros ha sitt ursprung i lösa hopar som innehåller unga, massiva stjärnor. Som Brian Rauch – en biträdande professor vid Washington University och huvudutredaren för SuperTIGER – förklarade, nyckeln till framgång är tid:
'Betydligheten av vår observation ökar med antalet händelser vi observerar i huvudsak linjärt med tiden, så vi vill helt enkelt ha en så lång flygresa som möjligt för att maximera statistiken för den insamlade informationen. En dag med data är en liten ökning av framsteg, och vi måste bara lägga ner huvudet och fortsätta slipa iväg.”
För att sammanfatta, kosmiska strålar är energiska partiklar som kommer från vår sol, från andra stjärnor i galaxen och från andra galaxer helt och hållet. Den vanligaste typen, som utgör ungefär 90 % av alla strålar som upptäcks av forskare, består av protoner eller vätekärnor medan heliumkärnor och elektroner ligger en avlägsen andra och tredje plats (motsvarande 8 % respektive 1 %).
Den återstående 1% består av kärnor av tyngre grundämnen som järn, som minskar i gemensamhet beroende på hur höga i massa de är. Med SuperTIGER letar forskargruppen efter den sällsynta typen av alla, de 'ultra-tunga' kosmiska strålkärnorna som är tyngre än järn - från kobolt till barium. Dessa grundämnen bildas i kärnorna av massiva stjärnor, som sedan sprids ut i rymden när stjärnorna går till supernova.
Infografik som beskriver SuperTIGER-uppdraget. Kredit: NASA/GSFC
Explosionerna resulterar också i en kort men intensiv explosion av neutroner som kan smälta samman med järnkärnor, sönderfalla till protoner och skapa tyngre grundämnen. Den chockvåg som explosionen producerar fångar och accelererar också dessa partiklar tills de blir snabbrörliga kosmiska strålar med hög energi. Som John Mitchell, uppdragets ledande medutredare vid NASA:s Goddard Space Flight Center, förklarade:
'Tunga element, som guldet i dina smycken, produceras genom speciella processer i stjärnor, och SuperTIGER syftar till att hjälpa oss förstå hur och var detta händer. Vi är alla stjärnstoft, men att ta reda på var och hur detta stjärnstoft görs hjälper oss att bättre förstå vår galax och vår plats i den.'
När dessa strålar träffar jordens atmosfär exploderar de och producerar skurar av sekundära partiklar, av vilka några når detektorer på marken. I många år har forskare använt dessa upptäckter för att sluta sig till egenskaperna hos den ursprungliga kosmiska strålen. De producerar också en störande bakgrundseffekt, vilket är anledningen till att luftburna instrument är mycket effektivare för att studera dem.
Genom att flyga till en höjd av 40 000 meter (130 000 fot) över havet kan SuperTIGER och liknande vetenskapliga ballonger flyta över 99,5 % av atmosfären. Efter flera väderrelaterade förseningar började SuperTIGER-2-flygningen den 16 december 2019 på småtimmarna på morgonen, vilket följdes av att ballongen fullbordade sin första fullständiga revolution av Antarktis den 31 december.
Dessutom fick uppdragsteamet ta itu med några tekniska fel, som inkluderade problem med strömförsörjningen och ett datorfel som eliminerade en av detektormodulerna tidigt under flygningen. Trots detta fick teamet ballongen i luften i vad NASA:s ballongprogramkontor kallade en ' bildperfekt lansering .” Som Rauch sa i ett pressmeddelande från universitetet strax före lanseringen:
'Efter tre antarktiska säsonger – med 19 uppskjutningsförsök, två uppskjutningar och en återhämtning av nyttolasten från ett sprickfält – är det underbart att SuperTIGER-2 äntligen når flythöjd och börjar samla in vetenskaplig data. Tredje säsongen är charmen!”
Som nämnts slog SuperTIGER-1-flygningen (2012-13) vetenskapliga ballongrekord genom att hålla sig flytande i totalt 55 dagar. Det här uppdraget kommer inte att försöka utmana det rekordet och på grund av de tekniska problem som laget upplevde, räknar de med att SuperTIGER-2 kommer att samla in cirka 40 % av statistiken som uppnåddes med den första flygningen.
Med sin andra revolution runt kontinenten nu avslutad, väntar teamet nu på vädret för att avgöra när uppdraget ska avslutas. 'Såsom stratosfärvindarna cirkulerar den här säsongen kommer vår flygning att avslutas när ballongen kommer över en lämplig plats i slutet av vår andra revolution runt kontinenten”, sa Rauch.
Som med alla kosmiska mysterier är den verkliga nyckeln till att lösa dem gammaldags tålamod!
Vidare läsning: WU St. Louis
