‘Sendebud fra verdensrommet’ ettersøkt av forskere med høyteknologisk ballong

Prosjektet, kalt Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon – aka EUSO-SPB2 – søker etter budbringere fra verdensrommet: bittesmå, svært energiske partikler som treffer jorden på vei fra andre steder i universet.

Oppdraget, som involverer 280 forskere fra 13 land og 77 institusjoner, består av to instrumenter som skal festes til en høyhøydeballong skutt opp av Nasa. Ballongen og lasten er for tiden under endelig konstruksjon og montering.

Når den er fullført, vil EUSO-SPB2 kjøre vindstrømmer omtrent 20 miles over jorden rundt den sørlige halvkule, samle data og søke etter spor etter to typer innkommende partikler.

EUSO-SPB2 vil bære to forskjellige teleskoper for å oppdage to forskjellige typer partikler som kommer fra verdensrommet. En type kalles en kosmisk stråle med ultrahøy energi. Dette er ladede partikler som har blitt akselerert til ekstremt høye energier andre steder i universet og som av og til smeller inn i jordens atmosfære. De er ekstremt kraftige; de er de høyeste energipartiklene vi vet om i universet.

Den andre typen partikkel er en nøytrino. Disse partiklene, derimot, samhandler sjelden med materie i det hele tatt. Denne avstanden gjør dem interessante for forskere, fordi de kan frakte informasjon langt unna i galaksen uten å bli forvrengt på den måten at andre partikler kan bli påvirket. Dette gjør dem imidlertid også svært vanskelige å oppdage i utgangspunktet.

Det antas at begge disse partiklene kommer fra utenfor Melkeveien, potensielt til og med fra fjerne galakser. Imidlertid har ingen ennå klart å spore dem tilbake til kilden deres på himmelen. Forskere er opptatt av å spore dem til deres opprinnelse fordi dette kan fortelle oss hvordan partiklene ble laget: enten av supermassive sorte hull, eller av to massive nøytronstjerner som smeller inn i hverandre, eller til og med et gigantisk sjokk mellom klynger av galakser. Partiklene ville bringe informasjon om den hendelsen til oss, millioner eller milliarder av lysår unna.

EUSO-SPB2 kan ikke direkte oppdage disse partiklene, men den kan se etter avslørende tegn i atmosfæren når nøytrinoer og kosmiske stråler kolliderer med molekylene i bakken og atmosfæren. Begge instrumentene ser etter sporene fra disse kollisjonene. Man oppdager UV-lyset som produseres av kosmiske stråler som treffer atmosfæriske molekyler og produserer en partikkeldusj. Den andre ser etter en spesiell type lys kalt Cherenkov-stråling som produseres etter at en nøytrino treffer et molekyl i jorden; kollisjonen sender en tau-partikkel av sted, som deretter forfaller og produserer en dusj av milliarder av sekundære partikler som skaper det avslørende Cherenkov-lyset.

De fleste tidligere eksperimenter for å finne disse partiklene har sittet på bakken og sett opp på atmosfæren. EUSO-SPB2 vil i stedet sitte rett over atmosfæren og se ned. Dette gir instrumentene et mye bredere potensielt syn på sporene etter disse kollisjonene.

“Jo mer atmosfære du kan observere, jo bedre, siden ultra-høyenergiske kosmiske stråler er ekstremt sjeldne,” sa UChicago-fysiker Rebecca Diesing, som hjelper til med å bygge et av instrumentene som skal kjøre ombord i ballongen. “En kvadratkilometer flekk av jorden vil bare bli truffet av en av disse partiklene omtrent en gang per århundre.”

EUSO-SPB2 vil også starte mens flere gravitasjonsbølgedetektorer kjører. Disse observatoriene er designet for å fange krusningene i rom-tid som skjer når sorte hull eller nøytronstjerner kolliderer. Hvis gravitasjonsbølgedetektorene fanger opp en slik kollisjon, kan EUSO-SPB2 svinge rundt for å prøve å lete etter nøytrinoer i etterkant.

“Dette er et viktig skritt mot å løse mysteriet om hvor i universet disse partiklene kommer fra og hvordan de muligens kan lages,” sa Angela Olinto, professor i astronomi og astrofysikk ved University of Chicago Albert A Michelson, som leder eksperimentet. «Dette er partikler som vi rett og slett ikke kan skape selv på jorden; vi må bruke disse romreisende til å lære mer om dem.»

Siden ingenting som dette konseptet har blitt gjort før, har dusinvis av forskere og ingeniører jobbet for å sikre at instrumentene og ballongen vil fungere sammen.

«For eksempel måtte vi velge materialer som var lette nok til å passe innenfor vektgrensen for hva ballongen kan bære, men også sterke nok til å tåle sjokket ved utskyting – når fallskjermen utløses, opplever gondolen opptil åtte til 10 Gs,” forklarte Johannes Eser, en UChicago-forsker som har jobbet med EUSO-SPB2 siden starten.

Ulike deler av EUSO-SPB2 er bygget ved institusjoner rundt om i verden: Georgia Tech, for eksempel, bygger Cherenkov-kameraet, mens institusjoner i Frankrike og Italia har bygget UV-fluorescenskameraet. I mellomtiden bygger University of Chicago flere deler, inkludert en enhet for å måle skydekke rundt ballongen og den innovative gondolen som bærer instrumentene, samt kjøre simuleringer og overvåke hele prosjektet.

Hele lasten er for tiden under montering ved Colorado School of Mines, før den sendes til Nasas anlegg i Palestina, Texas, for en “hengetest” designet for å sikre at hele enheten holder sammen og fungerer godt når den henges fra ballongen. Til slutt vil den ta veien til New Zealand for lansering, planlagt våren 2023.

Hvis EUSO-SPB2 fungerer, vil det bevise at rombasert deteksjon for disse partiklene er mulig. Olinto håper det kan gi proof-of-concept for oppfølgingsoppdrag, inkludert et som vil sitte ombord på en satellitt som kretser rundt jorden og plukke opp partikkelspor.

“Vi forbereder oss på en fremtid der vi vil være i stand til å oppdage mange av disse partiklene og lære ekstraordinært mye av dem,” sa Olinto, “men først må vi presse teknologien mye lenger.”

Ytterligere finansiering for EUSO-SPB2-prosjektet inkluderer den italienske romfartsorganisasjonen, den franske romfartsorganisasjonen, Japan Aerospace Exploration Agency og mange andre.