Antarktyda zamienia się w kosmiczne obserwatorium. NASA szykuje balony do polowania na neutrina i antycząstki związane z ciemną materią.
Program balonów naukowych NASA wraca na Antarktydę z dwiema ambitnymi misjami, które celują w najtrudniejsze zagadki współczesnej astrofizyki. Z lodowej pokrywy w pobliżu stacji McMurdo wystartują jeszcze w grudniu 2 ogromne balony stratosferyczne: PUEO, polujący na ultrawysokoenergetyczne neutrina, oraz GAPS, szukający śladów ciemnej materii w antycząstkach docierających z kosmosu. Przez tygodnie będą krążyć nad biegunem jak unoszące się laboratoria, korzystając z wyjątkowych warunków polarnego lata.
Balonowe laboratoria nad Antarktydą
Baza startowa NASA znajduje się na lodowej półce Rossa, kilka kilometrów od amerykańskiej stacji McMurdo. To tam powstał specjalny obóz długotrwałych lotów balonowych, a konkretniej okrągła wyrwa w śniegu, która służy jako naturalne lotnisko dla olbrzymich powłok wypełnionych gazem. Z tej lodowej areny balony wznoszą się wysoko nad powierzchnię Ziemi, przejmując rolę latających obserwatoriów.
Antarktyda jest dla NASA idealnym poligonem doświadczalnym. Zimą panują tam ekstremalne warunki, ale latem, gdy zaczyna się kampania balonowa, Słońce praktycznie nie zachodzi, a wiatry wokół bieguna tworzą stabilny, kołowy układ. Dzięki temu balony mogą krążyć nad kontynentem bardzo długo, utrzymując prawie stałą wysokość i zasilanie słoneczne. To znacznie tańsza alternatywa dla niektórych misji satelitarnych, a zarazem szansa na testowanie nowych technologii i instrumentów w realnych warunkach przestrzeni bliskiej kosmosu.
PUEO: wykorzystać lód jak gigantyczny teleskop
Pierwsza z misji, Payload for Ultrahigh Energy Observations (PUEO), jest szczególnym debiutem. Jest to bowiem pierwszy balonowy projekt realizowany w ramach programu Astrophysics Pioneers. Program NASA finansuje mniejsze, ale bardzo ambitne eksperymenty, które mają dostarczać przełomowych wyników przy niższych kosztach niż klasyczne misje kosmiczne.
PUEO został zaprojektowany po to, by nasłuchiwać sygnałów od ultrawysokoenergetycznych neutrin. Są to niemal niewidzialne cząstki, które przelatują przez materię praktycznie bez interakcji. Te najbardziej energetyczne niosą jednak informacje o najgwałtowniejszych procesach we Wszechświecie – tworzeniu czarnych dziur, zderzeniach gwiazd neutronowych czy innych kosmicznych kataklizmach odległych o miliardy lat świetlnych.
Fot. NASAZespół PUEO chce podsłuchiwać je w bardzo sprytny sposób. Gdy takie neutrino zderzy się z lodem pod powierzchnią Antarktydy, może wzbudzić krótkotrwały impuls radiowy. Balon wyniesie zestaw czułych anten, które będą wypatrywać właśnie takich sygnałów. W praktyce oznacza to wykorzystanie antarktycznego lodu jak gigantycznego detektora – jakby cała czapa lodowa stała się jednym wielkim teleskopem nastawionym na odległe kosmiczne fajerwerki.
NASA podkreśla, iż będzie to najbardziej czułe jak dotąd poszukiwanie kosmicznych ultrawysokoenergetycznych neutrin. jeżeli PUEO zarejestruje ich więcej, niż przewidują obecne modele, fizycy będą musieli na nowo przemyśleć, jak wyglądają i jak często zachodzą skrajne zjawiska w odległym Wszechświecie.
GAPS: polowanie na antycząstki z ciemnej materii
Drugi balon wyniesie instrument o nazwie General AntiParticle Spectrometer (GAPS). Jego zadanie jest równie ambitne: uchwycić sygnały, które mogą pochodzić z rozpadu ciemnej materii.
Ciemna materia to rodzaj materii, którego nie widać w teleskopach, bo nie świeci ani nie pochłania światła. Wiadomo jednak, iż musi istnieć, bo jej grawitacja wpływa na ruch galaktyk i kształt wielkoskalowej struktury Wszechświata. Szacuje się, iż takie niewidoczne składniki stanowią zdecydowaną większość materii, ale ich natura wciąż pozostaje zagadką.
GAPS ma właśnie polować na określone rodzaje antycząstek, czyli cząstek, które mają te same masy co standardowe cząstki, ale przeciwny ładunek i inne własności. Według badaczy można je produkować właśnie wtedy, gdy cząstki ciemnej materii ulegają rozpadowi lub zderzają się ze sobą. Wysoko w atmosferze, z dala od większości zaburzeń występujących przy powierzchni Ziemi, instrument GAPS ma większą szansę wychwycić takie rzadkie ślady.
Wystarczyłaby choćby pojedyncza, dobrze zidentyfikowana antycząstka o odpowiednich parametrach, by wstrząsnąć naszą wiedzą o ciemnej materii. Zespół misji liczy, iż wielotygodniowy lot balonu nad Antarktydą znacząco zwiększy prawdopodobieństwo zaobserwowania takiego sygnału.
Jak działają balony NASA?
W swojej antarktycznej kampanii NASA używa tzw. balonów zero-pressure. W odróżnieniu od zamkniętych balonów o stałej objętości ich powłoka wyposażona jest w specjalne kanały, przez które może uchodzić gaz. Dzięki temu ciśnienie wewnątrz balonu pozostaje zbliżone do ciśnienia otoczenia choćby wtedy, gdy powietrze na zewnątrz robi się rzadsze, a gaz w środku rozpręża się wraz ze wzrostem wysokości.
Ten pozornie prosty zabieg daje tak naprawdę ogromną i nieocenioną korzyść: balon zachowuje stabilność, nie grozi mu rozerwanie z powodu nadmiernego wzrostu ciśnienia, a lot może trwać dużo dłużej. Połączenie zmyślnej konstrukcji, kołowego przepływu powietrza wokół bieguna i nieustannego oświetlenia słonecznego sprawia, iż balony NASA są wyjątkowo dobrze przystosowane do długotrwałych misji nad Antarktydą.
Jeśli balony NASA wrócą z Antarktydy z nowymi danymi, zyskamy nie tylko piękne zdjęcia białego kontynentu, ale przede wszystkim nowe wskazówki w śledztwie dotyczącym pochodzenia materii, energii i kosmicznych kataklizmów.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: NASA
