Wissenschaftsballons steigen zu neuen Missionen auf
Bild überNASA.
Die NASA hat jahrzehntelang enormewissenschaftliche Ballonsin die Erdatmosphäre, Meilen über der Höhe kommerzieller Flüge. Das Ballonprogramm bereitet derzeit neue Missionen mit empfindlichen Instrumenten vor, darunter eine, die die Geburt unseres Universums untersuchen soll, und eine andere mit Ballon-Ursprung, die auf der Internationalen Raumstation fliegen wird.
NASAsPrimordial Inflation Polarization Explorer(PIPER), die in den nächsten Jahren eine Reihe von Testflügen starten wird, könnte die Theorie bestätigen, dass sich unser entstehendes Universum unmittelbar nach dem Urknall um eine Billion Billionen (1024) Mal ausgedehnt hat. Diese schnelle Inflation hätte das Gefüge der Raumzeit erschüttert und Wellen erzeugt, die Gravitationswellen genannt werden. Diese Wellen wiederum sollten nachweisbare Verzerrungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) erzeugt haben, dem frühesten Licht im Universum, das heute durch kosmische Expansion zu Mikrowellen verlängert wurde. Die Muster erscheinen in Messungen der Organisation des CMB-Lichts, einer Eigenschaft, die als Polarisation bezeichnet wird. Die Entdeckung verdrehter, windradartiger Polarisationsmuster in der CMB wird beweisen, dass es zu einer Inflation gekommen ist und die Astrophysiker an den Rand des Urknalls zurückbringen.
Al Kogut, Astrophysiker bei NASA Goddard, posiert mit einem der Millimeterwellen-Teleskope für die Ballonmission Primordial Inflation Polarization Explorer (PIPER). Bild überGoddard Space Flight Center der NASA/Bill Hrybyk.
Während die Theorien von Albert Einstein die Schwerkraft im heutigen erweiterten Kosmos genau beschreiben, galten diese großräumigen physikalischen Gesetze nicht, als unser Universum noch die Größe eines Wasserstoffatoms hatte. Um diese Ungleichheit auszugleichen, wird PIPER den gesamten Himmel bei vier verschiedenen Frequenzen abbilden und dabei zwischen verdrehten Mustern im CMB (die auf ursprüngliche Gravitationswellen hinweisen) und unterschiedlichen Polarisationssignalen aufgrund von interstellarem Staub unterscheiden. Um die Empfindlichkeit beizubehalten, fliegt das Teleskop in einen Eimer mit flüssigem Helium von der Größe eines Whirlpools, aber viel kühler – fast 457 Grad unter null Fahrenheit (minus 272 Grad Celsius) und nahe dem absoluten Nullpunkt, der kältesten möglichen Temperatur.
Die PIPER-Mission wurde im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, in Zusammenarbeit mit der Johns Hopkins University in Baltimore, der University of British Columbia, Kanada, dem National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, entworfen, gebaut und getestet Universität Cardiff in Wales.
Al Kogut ist der Hauptermittler von PIPER. Er sagte:
Wir hoffen, Einblicke in unser frühes Universum zu erhalten, das sich in weniger als einer Sekunde von subatomarer Größe auf größer als ein Planet ausgedehnt hat. Das Verständnis der Inflation erweitert auch unser Wissen über die hochenergetische Teilchenphysik, wo die Naturkräfte ununterscheidbar voneinander wirken.
Die Mission Cosmic Ray Energetics and Mass (CREAM), die in der nebenstehenden Abbildung gezeigt wird, wird von ihrem neuen Aussichtspunkt auf dem japanischen Experimentmodul der Internationalen Raumstation – Exposed Facility – kosmische Strahlung untersuchen, um ihre Quellen und Beschleunigungsmechanismen zu bestimmen. Bild überNASA.
Während PIPER sich darauf vorbereitet, etwa 20 Meilen über der Erde zu beobachten,neueste Iterationdes Experiments Cosmic Ray Energetics and Mass (CREAM) soll im August zur Raumstation starten. Obwohl CREAM während seiner sechs vorherigen Missionen im Ballon getragen wurde, wird die aktuelle Nutzlast die Technologie an der Erdatmosphäre vorbei und in den Weltraum bringen. CREAM wird sich schnell bewegende Materie von außerhalb des Sonnensystems, die sogenannte kosmische Strahlung, direkt von seinem neuen Aussichtspunkt auf dem japanischen Experimentmodul – Exponierte Einrichtung aus – beproben.
Kosmische Strahlung sind hochenergetische Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen und die Erde ständig überschütten. Aber genau wie sie entstehen und durch den Weltraum beschleunigt werden, erfordert weitere Untersuchungen, ebenso wie ihr abrupter Abfall bei Energien von mehr als 1.000 Billionen Elektronenvolt. Diese Teilchen wurden auf mehr als das 100-fache der Energie aufgeladen, die vom leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider am CERN, erreichbar ist.
CREAM – etwa so groß wie ein Kühlschrank – wird generalüberholte Versionen derSilizium-LadungsdetektorenundIonisationskalorimetervon den vorherigen Ballonmissionen über der Antarktis. Die Orbital-Edition von CREAM wird zwei neue Instrumente enthalten: dieoben/unten zählende Detektoren, beigesteuert von der Kyungpook National University in Daegu, Südkorea, und aborierter Szintillatordetektorzur Unterscheidung von Elektronen von Protonen, konstruiert von einem Team von Goddard, der Pennsylvania State University im University Park und der Northern Kentucky University in Highland Heights.
Die internationale Zusammenarbeit unter der Leitung des Physikers Eun-Suk Seo von der University of Maryland, College Park, umfasst Teams aus zahlreichen Institutionen in den USA sowie kooperierenden Institutionen in der Republik Korea, Mexiko und Frankreich. Die Gesamtleitung und Integration des Experiments wurde von der Wallops Flight Facility der NASA an der Ostküste von Virginia unter der Leitung von Linda Thompson, der CREAM-Projektmanagerin, geleitet.
Laut dem Co-Ermittler Jason Link, einem Forscher der University of Maryland, Baltimore County, der bei Goddard arbeitet, demonstriert die Entwicklung von CREAM die Leistungsfähigkeit des Ballonprogramms der NASA als Entwicklungsprüfstand für Weltrauminstrumentierung. Link sagte:
Eine Ballonmission kann in etwa fünf Jahren von einer Idee im Kopf eines Wissenschaftlers zu einer fliegenden Nutzlast werden. Tatsächlich beginnen viele Wissenschaftler, die Experimente für Weltraummissionen entwerfen, mit dem Ballonfahren. Es ist ein leistungsstarkes Trainingsgelände für Forscher und Ingenieure.
Wie bei jeder komplexen Mission laufen die Dinge nicht immer wie geplant. Dies war der Fall für dieBallonexperimentelles Zwillingsteleskop für Infrarot-Interferometer(BETTII)-Experiment, mit dem kalte Objekte untersucht werden sollen, die Licht im fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren.
BETTII startete am 8. Juni von der Columbia Scientific Balloon Facility der NASA in Palästina, Texas. Obwohl fast alle Komponenten der Mission ordnungsgemäß funktionierten, löste sich die Nutzlast von ihrem Fallschirm und fiel in 12 Minuten 130.000 Fuß, als der Flug am folgenden Tag endete.
Stephen Rinehart, leitender Ermittler von BETTII von Goddard, schätzt, dass es mehrere Jahre dauern wird, um die Finanzierung zu sichern und die Mission wieder aufzubauen.
Entworfen, montiert und getestet bei Goddard in Zusammenarbeit mit der University of Maryland, der Johns Hopkins University, der Cardiff University, dem University College London und dem Far-Infrared Interferometric Telescope Experiment Team in Japan, wurde BETTII entwickelt, um niedrigere Infrarotfrequenzen mit beispielloser Auflösung zu untersuchen. Während optische Teleskope wie Hubble keine Sterne sehen können, die von dicken Staubwolken umhüllt sind, durchdringen Ferninfrarotbeobachtungen den Schleier und enthüllen, wie diese Objekte entstehen und sich entwickeln. Rinehart sagte:
BETTII ist eines der komplexeren Ballonexperimente, die jemals geflogen wurden. Als Forschungsgemeinschaft wissen wir, dass dieses Risiko für den wissenschaftlichen und technischen Fortschritt, den wir mit Ballons machen, notwendig ist.
Denn so wie Risiko und Scheitern Hand in Hand gehen, so gehen auch Risiko und Ertrag Hand in Hand.