Un team di ricercatori dell'Università dell'Alabama a Huntsville (UAH) ha ricevuto un finanziamento dalla NASA nell'ambito di un ampio, collaborazione di cinque anni con gli Stati Uniti per pilotare una missione in mongolfiera di durata ultra lunga con tre innovativi telescopi ultrasensibili per rilevare i raggi cosmici e i neutrini provenienti dallo spazio profondo. Previsto per il lancio nel 2022, l'Osservatorio spaziale dell'universo estremo di seconda generazione su un pallone a super pressione (EUSO-SPB2) è un passo importante verso una missione pianificata per inviare una sonda nello spazio.

"UAH è coinvolta in questa ricerca da oltre 20 anni, con la scienza inizialmente guidata qui dal defunto professore di fisica Yoshi Takahashi, "dice il dottor Patrick Reardon, che funge da direttore del Centro per l'ottica applicata (CAO) di UAH e come investigatore principale per lo sforzo UAH. "Da allora, una squadra del CAO, tra cui il designer ottico Ken Pitalo e diversi studenti, ha creato e testato alcuni progetti ottici straordinari."

La scienza che guida questa indagine è la ricerca della fonte di particelle ad altissima energia dallo spazio che hanno colpito la nostra Terra. Un tipo di queste particelle sono i raggi cosmici:nuclei subatomici che viaggiano da ogni direzione nello spazio, accelerato da supernove e altri fenomeni cosmici sconosciuti. Allo stesso modo misteriosi sono i neutrini, le "particelle fantasma" che ci attraversano continuamente, per lo più inosservato.

Mentre c'è molto che non sappiamo sui neutrini, la preoccupazione più urgente è da dove vengono. Tutto ciò che si sa è che, sulla base di studi presso l'Osservatorio Pierre Auger in Argentina, i raggi cosmici più energetici che colpiscono la Terra provengono da oltre la nostra galassia. I raggi cosmici e i neutrini più estremi offrono i maggiori indizi sulle loro origini e sui loro viaggi perché possono resistere agli effetti dei campi magnetici nello spazio che curvano i percorsi delle particelle più deboli. Questo è ciò a cui andrà a caccia di questo nuovo esperimento con palloncini finanziato dalla NASA.

"Questo programma ci aiuterà a risolvere il grande mistero della provenienza di queste particelle altamente energetiche nell'universo, e come potrebbero essere realizzati, " dice la Dott.ssa Angela Olinto, l'Università di Chicago Albert A. Michelson Distinguished Service Professor in Astronomia e Astrofisica e ricercatore principale della collaborazione.

Poiché ci sono relativamente poche particelle cosmiche che si scontrano con la Terra, EUSO-SPB2 non li rileverà direttamente. Anziché, l'esperimento a bordo di un pallone cercherà le scie di luce ultravioletta e visibile (fotoni) che vengono generate nella scia delle particelle mentre volano attraverso l'atmosfera terrestre. Per aumentare la probabilità di ottenere dati sulle particelle, sarà posto a quota 100, 000 piedi, abbastanza alto da monitorare un grande volume della nostra atmosfera.

La sfida, però, sta progettando un sistema ottico che tenga conto sia del numero limitato di fotoni generati sia dell'altissima velocità con cui le immagini devono essere acquisite. Non solo deve avere molto più potere di raccolta della luce del James Webb Space Telescope (JWST) della NASA, ma deve anche calzare ed essere sollevato da un pallone.

"Sebbene il JWST abbia un enorme specchio di raccolta primario di 6,4 metri, o 20 piedi, di diametro, il suo campo visivo è solo 0,3 per 0,15 gradi, "dice il dottor Reardon. "Al contrario, mentre l'EUSO-SPB2 utilizza ottiche con un'area di raccolta di solo 1 metro di diametro, il suo campo visivo è di 45 per 5 gradi." Moltiplicando l'area di raccolta per il campo visivo, e il sistema UAH ha circa 100 volte il throughput di JWST.

Secondo il dottor Reardon, questo è esattamente il tipo di progetto per il quale il CAO ha le competenze di ingegneria ottica. "Per prima cosa dobbiamo trasformare le esigenze della scienza in specifiche ottiche pratiche, " dice. "Poi progettiamo l'ottica, assicurando che possano essere fabbricati e assemblati con successo." In alcuni casi, quelle ottiche sono prodotte in loco presso UAH. Dopo di che, lui continua, "sviluppiamo gli strumenti e le procedure di allineamento e collaudo, e persino assistere nell'implementazione del sistema." Queste sono le capacità che il CAO porta in ogni progetto.

Oltre a progettare e garantire il corretto montaggio delle ottiche, il CAO sta lavorando con il dott. James Adams e il dott. Evgeny Kuznetsov del Centro per la ricerca aeronomica e plasma spaziale dell'UAH per supportare i sistemi di alimentazione, sviluppo del rivelatore, e prove a terra, tutto ciò è fondamentale per il successo della missione.

Il pallone grande quanto un campo da calcio, che può viaggiare per mesi a 20 miglia nell'atmosfera portando i pionieristici 30, osservatorio da 000 libbre, trasporterà fino a tre di questi telescopi, ognuno sintonizzato per cercare caratteristiche specifiche che aiutino a identificare le particelle cosmiche. La missione partirà dalla Nuova Zelanda in modo che il pallone possa prendere un giro sulla corrente a getto polare che circonda la parte inferiore del globo. L'obiettivo è che il pallone effettui diversi viaggi intorno all'Antartico nel corso di 100 o più giorni.

Il volo fornirà la prova del concetto per la prevista sonda di astrofisica multi-messaggera estrema (POEMMA), una coppia di satelliti orbitanti con le stesse capacità ma con diversi ordini di grandezza in più di sensibilità. UAH fa parte di un team di scienziati e ingegneri della NASA guidati dal Dr. Olinto che stanno progettando la missione POEMMA per l'esame da parte dell'Astronomy and Astrophysics Survey del 2020, una priorità scientifica per il decennio guidato dalla National Academy of Sciences.