Un nuovo esperimento impostato per un lancio il 14 agosto alla Stazione Spaziale Internazionale fornirà uno sguardo senza precedenti su una pioggia di particelle dallo spazio profondo, chiamati raggi cosmici, che inonda costantemente il nostro pianeta. La missione Cosmic Ray Energetics And Mass destinata alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS-CREAM) è progettata per misurare le particelle a più alta energia di qualsiasi rivelatore finora volato nello spazio.

CREAM è stato originariamente sviluppato come parte del programma Balloon della NASA, durante il quale ha restituito misurazioni da circa 120, 000 piedi in sette voli tra il 2004 e il 2016.

"L'esperimento del pallone CREAM ha raggiunto un'esposizione totale del cielo di 191 giorni, un record per qualsiasi esperimento astronomico in mongolfiera, " disse Eun-Suk Seo, un professore di fisica presso l'Università del Maryland a College Park e il ricercatore principale dell'esperimento. "Operare sulla stazione spaziale aumenterà la nostra esposizione di oltre 10 volte, portandoci ben oltre i tradizionali limiti energetici delle misurazioni dirette."

nuovi strumenti sportivi, così come le versioni rinnovate dei rilevatori originariamente utilizzati sui voli in mongolfiera sull'Antartide, il frigorifero di dimensioni, 1,4 tonnellate (1, 300 chilogrammi) ISS-CREAM sarà consegnato alla stazione spaziale come parte della 12a missione di servizio di rifornimento commerciale SpaceX. Una volta lì, ISS-CREAM sarà spostato sulla piattaforma Exposed Facility che si estende da Kibo, il modulo sperimentale giapponese.

Da questo trespolo orbitale, Si prevede che ISS-CREAM studi la "pioggia cosmica" per tre anni, il tempo necessario per fornire misurazioni dirette senza precedenti di rari raggi cosmici ad alta energia.

Ad energie superiori a circa 1 miliardo di elettronvolt, la maggior parte dei raggi cosmici ci arriva da oltre il nostro sistema solare. Varie linee di prova, comprese le osservazioni del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA, sostenere l'idea che le onde d'urto dai detriti in espansione delle stelle che sono esplose come supernova accelerano i raggi cosmici fino a energie di 1, 000 trilioni di elettronvolt (PeV). Sono 10 milioni di volte l'energia dei fasci di protoni medici usati per curare il cancro. I dati di ISS-CREAM consentiranno agli scienziati di esaminare come fonti diverse dai resti di supernova contribuiscono alla popolazione dei raggi cosmici.

I protoni sono le particelle dei raggi cosmici più comuni, ma gli elettroni nuclei di elio e nuclei di elementi più pesanti costituiscono una piccola percentuale. Sono tutti campioni diretti di materia dallo spazio interstellare. Ma poiché le particelle sono caricate elettricamente, interagiscono con i campi magnetici galattici, facendoli vagare nel loro viaggio verso la Terra. Ciò confonde i loro percorsi e rende impossibile rintracciare le particelle dei raggi cosmici fino alle loro fonti.

"Un'ulteriore sfida è che il flusso di particelle che colpiscono qualsiasi rivelatore diminuisce costantemente con energie più elevate, ", ha affermato il co-investigatore di ISS-CREAM Jason Link, un ricercatore presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Quindi, per esplorare meglio le energie superiori, abbiamo bisogno di un rivelatore molto più grande o di molto più tempo di osservazione. Operare sulla stazione spaziale ci fornisce questo tempo extra".

I grandi sistemi terrestri studiano i raggi cosmici a energie maggiori di 1 PeV rendendo l'atmosfera terrestre il rivelatore. Quando un raggio cosmico colpisce il nucleo di una molecola di gas nell'atmosfera, entrambi esplodono in una pioggia di schegge subatomiche che innescano una cascata più ampia di collisioni di particelle. Alcune di queste particelle secondarie raggiungono i rilevatori a terra, fornendo informazioni che gli scienziati possono utilizzare per dedurre le proprietà del raggio cosmico originale.

Questi secondari producono anche uno sfondo interferente che limita l'efficacia delle operazioni con i palloncini di CREAM. Rimuovere quello sfondo è un altro vantaggio del trasferimento in orbita.

Con un numero decrescente di particelle ad energie crescenti, lo spettro dei raggi cosmici ricorda vagamente il profilo di una gamba umana. A PeV energie, questo declino si intensifica bruscamente, formare un dettaglio che gli scienziati chiamano "ginocchio". ISS-CREAM è la prima missione spaziale in grado di misurare il basso flusso di raggi cosmici alle energie che si avvicinano al ginocchio.

"L'origine del ginocchio e altre caratteristiche rimangono misteri di vecchia data, " disse Seo. "Molti scenari sono stati proposti per spiegarli, ma non sappiamo quale sia corretto."

Gli astronomi non pensano che i resti di supernova siano in grado di alimentare i raggi cosmici oltre la gamma PeV, così il ginocchio può essere modellato in parte dalla caduta dei loro raggi cosmici in questa regione.

"I raggi cosmici ad alta energia trasportano una grande quantità di informazioni sul nostro vicinato interstellare e sulla nostra galassia, ma non siamo stati in grado di leggere questi messaggi molto chiaramente, ", ha affermato il co-investigatore John Mitchell di Goddard. "ISS-CREAM rappresenta un passo significativo in questa direzione".

ISS-CREAM rileva le particelle di raggi cosmici quando colpiscono la materia che costituisce i suoi strumenti. Primo, un rilevatore di carica al silicio misura la carica elettrica delle particelle in ingresso, quindi strati di carbonio forniscono obiettivi che incoraggiano gli impatti, producendo cascate di particelle che fluiscono nei rivelatori elettrici e ottici sottostanti mentre un calorimetro determina la loro energia. Due sistemi di rilevamento basati su scintillatori forniscono la capacità di discernere tra elettroni e protoni a carica singola. Tutto detto, ISS-CREAM è in grado di distinguere gli elettroni, protoni e nuclei atomici massicci come il ferro mentre si schiantano contro gli strumenti.

ISS-CREAM si unirà ad altri due esperimenti sui raggi cosmici già al lavoro sulla stazione spaziale. Lo spettrometro magnetico alfa (AMS-02), guidato da una collaborazione internazionale sponsorizzata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, sta mappando i raggi cosmici fino a un trilione di elettronvolt, e il Calorimetric Electron Telescope (CALET) a guida giapponese, situato anche nel Kibo Exposed Facility, è dedicato allo studio degli elettroni dei raggi cosmici.

La gestione complessiva di ISS-CREAM e l'integrazione per la sua applicazione per la stazione spaziale sono state fornite dalla Wallops Flight Facility della NASA sulla costa orientale della Virginia. ISS-CREAM è stato sviluppato nell'ambito di una collaborazione internazionale guidata dall'Università del Maryland a College Park, che include squadre della NASA Goddard, Penn State University di University Park, Pennsylvania, e la Northern Kentucky University di Highland Heights, così come le istituzioni che collaborano nella Repubblica di Corea, Messico e Francia.