Przejdź do treści

Nowoczesne badania kosmosu balonem stratosferycznym

Balon stratosferyczny wzlatujący w wysokie partie atmosfery

Unoszony przez balon wielkości stadionu piłkarskiego teleskop NASA ASTHROS będzie obserwował długości fal światła niewidoczne z Ziemi.

Rozpoczęto właśnie prace nad nową, ambitną misją, w ramach której do stratosfery poleci nowoczesny, 2,5-metrowy teleskop podczerwony.

Wstępnie początek działania i start instrumentu ASTHROS (Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-wavelengths) planuje się na grudzień 2023 roku z obszaru Antarktydy. Instrument ma tam spędzić około trzech tygodni, dryfując po prądach powietrznych ponad lodowatym południowym kontynentem.

Kierowana przez NASA JPL misja ASTHROS polega na obserwacji Kosmosu w dalekiej podczerwieni. To światło o długości fali znacznie dłuższej niż to, jakie jest widoczne dla ludzkiego oka. Aby móc je zobaczyć, teleskop ASTHROS będzie musiał osiągnąć wysokość około 40 kilometrów ponad Ziemią. To cztery razy wyżej niż pułap lotu komercyjnych samolotów. Choć to wciąż znacznie poniżej granicy kosmosu (zaczynającego się ok. 100 kilometrów nad powierzchnią Ziemi), dla teleskopu będzie już wystarczająco wysoko, by mógł zaobserwować długości fal elektromagnetycznych blokowane przez ziemską atmosferę.

Zespół misji ostatnimi czasy dopracował projekt przenośnego obserwatorium, który obejmuje teleskop (wychwytujący światło), dodatkowe instrumenty naukowe oraz podsystemy takie jak układ chłodzenia i elektroniki. Na początku sierpnia tego roku inżynierowie z JPL rozpoczną integrację i testowanie tych podsystemów, aby sprawdzić, czy działają one zgodnie z oczekiwaniami.

Czemu akurat balon? Chociaż balony mogą wydawać się dość przestarzałą technologią, oferują dużą przewagę nad misjami naziemnymi lub kosmicznymi. Naukowy program balonowy NASA działa od 30 lat w Wallops Flight Facility w Wirginii. Każdego roku inicjuje się tam od 10 do 15 misji z różnych lokalizacji na całym świecie, wspierając eksperymenty we wszystkich dyscyplinach naukowych realizowanych w NASA, a także projekty i cele związanych z rozwojem technologii i edukacją. Misje balonowe nie tylko generują niższe koszty w porównaniu z misjami kosmicznymi, ale także charakteryzuje je krótszy czas pomiędzy wczesnym planowaniem a ostatecznym wdrożeniem, co oznacza, że można w ich ramach zaakceptować wyższe ryzyko związane z użyciem najnowocześniejszych technologii, których nie było jeszcze dotąd w kosmosie. Ryzyko to może przybrać postać nieznanych dotąd wyzwań technicznych lub operacyjnych, które mogą wpłynąć także na wyniki naukowe misji. Pracujące aktywnie nad tymi wyzwaniami misje balonowe mogą przygotować grunt pod przyszłe misje kosmiczne, tak aby w jak najwyższym stopniu czerpać korzyści z tych nowych technologii.

– Misje balonowe takie jak ASTHROS są ogółem narażone na większe ryzyko niż misje kosmiczne, ale dają też wysokie zwroty przy niewielkich kosztach – podsumowuje inżynier JPL Jose Siles, kierownik projektu w ASTHROS. – Dzięki ASTHROS zamierzamy prowadzić obserwacje astrofizyczne, których nigdy jeszcze dotąd nie podjęto. Misja ta utoruje drogę przyszłym misjom kosmicznym, testując nowe technologie i zapewniając szkolenia dla kolejnego pokolenia inżynierów i naukowców.

Pod względem naukowym ASTHROS będzie wyposażony w przyrząd do pomiaru ruchów i prędkości gazu wokół nowo powstałych gwiazd. Podczas lotu balonem zbadane będą jej cztery główne cele, w tym dwa obszary gwiazdotwórcze w Drodze Mlecznej. Po raz pierwszy wykryje się w nich i zmapuje obecność dwóch specyficznych typów jonów azotu (atomów, które utraciły część elektronów). Jony te mogą ujawnić miejsca, w których wiatry gwiazdowe masywnych gwiazd i wybuchy supernowych przekształciły znacznie obłoki gazu w tych obszarach formowania się gwiazd. W procesie znanym jako gwiezdne sprzężenie zwrotne takie gwałtowne wybuchy mogą przez miliony lat rozproszyć otaczającą je materię i utrudnić formowanie się nowych gwiazd lub całkowicie je zatrzymać. Ale gwiezdne sprzężenie zwrotne może również powodować zlepianie się materii, przyspieszając formowanie się gwiazd. Bez tego procesu cały dostępny gaz i pył w galaktykach takich jak nasza już dawno przekształciłby się w gwiazdy.

ASTHROS ma umożliwić stworzenie pierwszych szczegółowych trójwymiarowych map gęstości, prędkości i ruchu gazu w tych regionach. Dzięki nim naukowcy zobaczą, jak nowo narodzone gwiazdowe olbrzymy wpływają na otaczający je materiał. Zespół chce tym sposobem uzyskać wgląd w działanie gwiezdnego sprzężenia zwrotnego i dostarczyć nauce nowych danych do udoskonalenia komputerowych symulacji ewolucji galaktyk.

Trzecim celem ASTHROS będzie galaktyka Messier 83. Zaobserwowanie tam oznak gwiezdnego sprzężenia zwrotnego umożliwi zespołowi uzyskanie głębszego wglądu w jego wpływ na różne typy galaktyk. Możliwe jest, że gwiazdowe sprzężenie zwrotne jest głównym regulatorem tworzenia się gwiazd od samego początku historii Wszechświata. Komputerowe symulacje ewolucji galaktyk wciąż jednak nie mogą w pełni odtworzyć tego, co widzimy w Kosmosie. Mapowanie azotu, które umożliwi ASTHROS, nigdy wcześniej nie zostało jeszcze przeprowadzone. Jak jego wynik wpłynie na modele astrofizyczne galaktyk?

Jako swój czwarty cel ASTHROS zaobserwuje TW Hydrae, młodą gwiazdę otoczoną rozległym dyskiem pyłu i gazu, w którym mogą się formować planety. Dzięki swoim unikalnym możliwościom ASTHROS zmierzy całkowitą masę tego dysku protoplanetarnego i pokaże, jak ta masa jest w nim rozłożona. Te obserwacje mogą ujawnić miejsca, w których pył gromadzi się i zlepia, tworząc planety. Nowe informacje na temat dysków protoplanetarnych być może pomogą astronomom lepiej zrozumieć, jak różne typy planet powstają w młodych układach „słonecznych”.

Aby to wszystko umożliwić, misja potrzebuje naprawdę sporego balonu stratosferycznego. Po napełnieniu helem będzie miał on około 150 metrów szerokości, czyli mniej więcej tyle, co stadion piłkarski. Gondola pod balonem przenosić będzie sam instrument i lekki teleskop, który składa się z 2,5-metrowej anteny satelitarnej oraz szeregu zwierciadeł, soczewek i detektorów zaprojektowanych i zoptymalizowanych do przechwytywania promieniowania w dalekiej podczerwieni. Podczas lotu balonem naukowcy będą mogli precyzyjnie kontrolować kierunek na niebie, oglądany przez teleskop, i pobierać dane w czasie rzeczywistym za pomocą łącza satelitarnego, realizowanego właśnie dzięki antenie.

Z uwagi na to, że wszelkie naukowe instrumenty obserwujące dalekiej podczerwieni muszą być bardzo zimne, w wielu tego rodzaju misjach wykorzystuje się ciekły hel do ich chłodzenia. Zamiast tego ASTHROS będzie polegał na chłodnicy kriogenicznej, która wykorzystuje energię elektryczną (dostarczaną przez panele słoneczne ASTHROS) niezbędną do utrzymania detektorów nadprzewodzących w temperaturze rzędu minus 268,5 stopni Celsjusza, czyli nieco tylko powyżej zera bezwzględnego (najzimniejszej temperatury, jaką może osiągnąć materia we Wszechświecie). Chłodnica kriogeniczna waży znacznie mniej niż duży pojemnik z ciekłym helem, którego ASTHROS potrzebowałby do utrzymywania urządzenia w takim zimnie przez cały czas trwania misji. Oznacza to, że sumaryczny ładunek jest znacznie lżejszy, a czas trwania misji nie będzie dzięki temu ograniczony ilością ciekłego helu na pokładzie.

Zespół spodziewa się, że balon wykona dwie lub trzy pętle wokół bieguna południowego w ciągu około 21 do 28 dni, niesiony ponad nim przez dominujące wiatry stratosferyczne. Po zakończeniu misji operatorzy wyślą polecenie zakończenia lotu, które oddzieli gondolę połączoną ze spadochronem od balonu. Spadochron opuści następnie gondolę na ziemię, aby teleskop można było z niej wyjąć, po czym przygotować do kolejnego lotu.

 

NASA Stratospheric Terahertz Observatory II (STO-2)

Na ilustracji: Film poklatkowy pokazujący start misji NASA Stratospheric Terahertz Observatory II (STO-2) z Antarktydy w 2016 roku. Misje balonowe dają nam możliwość obserwacji nieba w długościach fal światła blokowanych przez ziemską atmosferę.
Źródło: NASA / JPL-Caltech.

 

Czytaj więcej:

 

Źródło: NASA

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Na zdjęciu powyżej: Balon stratosferyczny wzlatujący w wysokie partie atmosfery. Źródło: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab/Michael Lentz.