Sono iniziati i lavori per una nuova ambiziosa missione che trasporterà un telescopio all'avanguardia da 8,4 piedi (2,5 metri) di altezza nella stratosfera su un pallone. Previsto provvisoriamente per il lancio nel dicembre 2023 dall'Antartide, ASTHROS (abbreviazione di Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-wavelengths) trascorrerà circa tre settimane alla deriva sulle correnti d'aria sopra il ghiacciato continente meridionale e otterrà diversi primati lungo la strada.

Gestito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA, ASTHROS osserva la luce nell'infrarosso lontano, o luce con lunghezze d'onda molto più lunghe di quelle visibili all'occhio umano. Fare quello, ASTHROS dovrà raggiungere una quota di circa 130, 000 piedi (24,6 miglia, o 40 chilometri), circa quattro volte superiore a quello che volano gli aerei di linea commerciali. Sebbene ancora ben al di sotto del confine dello spazio (circa 62 miglia, o 100 chilometri, sopra la superficie terrestre), sarà sufficientemente alto per osservare le lunghezze d'onda della luce bloccate dall'atmosfera terrestre.

Il team della missione ha recentemente dato gli ultimi ritocchi al progetto per il carico utile dell'osservatorio, che include il suo telescopio (che cattura la luce), il suo strumento scientifico, e sottosistemi come i sistemi di raffreddamento ed elettronici. All'inizio di agosto, gli ingegneri di JPL inizieranno l'integrazione e il test di tali sottosistemi per verificare che funzionino come previsto.

Mentre i palloncini potrebbero sembrare una tecnologia antiquata, offrono alla NASA vantaggi unici rispetto alle missioni terrestri o spaziali. Il programma Scientific Balloon della NASA opera da 30 anni presso la Wallops Flight Facility in Virginia. Lancia da 10 a 15 missioni all'anno da località di tutto il mondo a sostegno di esperimenti in tutte le discipline scientifiche della NASA, così come per lo sviluppo tecnologico e scopi educativi. Le missioni in mongolfiera non hanno solo costi inferiori rispetto alle missioni spaziali, hanno anche tempi più brevi tra la pianificazione anticipata e la distribuzione, il che significa che possono accettare i maggiori rischi associati all'utilizzo di tecnologie nuove o all'avanguardia che non hanno ancora volato nello spazio. Questi rischi possono presentarsi sotto forma di sfide tecniche o operative sconosciute che possono avere un impatto sui risultati scientifici di una missione. Lavorando attraverso queste sfide, le missioni in mongolfiera possono preparare il terreno per le missioni future per raccogliere i benefici di queste nuove tecnologie.

"Le missioni in mongolfiera come ASTHROS sono più rischiose delle missioni spaziali, ma danno grandi ricompense a costi modesti, " ha detto l'ingegnere JPL Jose Siles, project manager per ASTHROS. "Con ASTRO, puntiamo a fare osservazioni astrofisiche che non sono mai state tentate prima. La missione aprirà la strada a future missioni spaziali testando nuove tecnologie e fornendo formazione alla prossima generazione di ingegneri e scienziati".

Occhi infrarossi nel cielo

ASTHROS trasporterà uno strumento per misurare il movimento e la velocità del gas attorno alle stelle di nuova formazione. Durante il volo, la missione studierà quattro obiettivi principali, comprese due regioni di formazione stellare nella galassia della Via Lattea. Inoltre, per la prima volta rileverà e mapperà la presenza di due tipi specifici di ioni azoto (atomi che hanno perso alcuni elettroni). Questi ioni di azoto possono rivelare luoghi in cui i venti di stelle massicce ed esplosioni di supernova hanno rimodellato le nubi di gas all'interno di queste regioni di formazione stellare.

In un processo noto come feedback stellare, tali esplosioni violente possono, in milioni di anni, disperdere il materiale circostante e impedire la formazione stellare o arrestarla del tutto. Ma il feedback stellare può anche causare l'aggregazione del materiale, accelerazione della formazione stellare. Senza questo processo, tutto il gas e la polvere disponibili nelle galassie come la nostra si sarebbero riuniti nelle stelle molto tempo fa.

ASTHROS realizzerà le prime mappe 3D dettagliate della densità, velocità, e il movimento del gas in queste regioni per vedere come i giganti appena nati influenzano il loro materiale placentare. Facendo così, il team spera di ottenere informazioni su come funziona il feedback stellare e di fornire nuove informazioni per perfezionare le simulazioni al computer dell'evoluzione delle galassie.

Un terzo obiettivo per ASTHROS sarà la galassia Messier 83. L'osservazione dei segni di feedback stellare consentirà al team ASTHROS di ottenere informazioni più approfondite sui suoi effetti su diversi tipi di galassie. "Penso che si sia capito che il feedback stellare è il principale regolatore della formazione stellare nella storia dell'universo, " ha detto lo scienziato JPL Jorge Pineda, ricercatore principale di ASTHROS. "Le simulazioni al computer dell'evoluzione delle galassie non sono ancora in grado di replicare del tutto la realtà che vediamo nel cosmo. La mappatura dell'azoto che faremo con ASTHROS non è mai stata fatta prima, e sarà emozionante vedere come queste informazioni aiutano a rendere quei modelli più accurati".

Finalmente, come quarto obiettivo, ASTHROS osserverà TW Hydrae, una giovane stella circondata da un ampio disco di polvere e gas dove potrebbero formarsi pianeti. Con le sue capacità uniche, ASTHROS misurerà la massa totale di questo disco protoplanetario e mostrerà come questa massa è distribuita ovunque. Queste osservazioni potrebbero potenzialmente rivelare luoghi in cui la polvere si ammassa per formare pianeti. Imparare di più sui dischi protoplanetari potrebbe aiutare gli astronomi a capire come si formano i diversi tipi di pianeti nei giovani sistemi solari.

Un approccio elevato

Per fare tutto questo, ASTHROS avrà bisogno di un grande pallone:​​quando completamente gonfiato con elio, sarà largo circa 400 piedi (150 metri), or about the size of a football stadium. A gondola beneath the balloon will carry the instrument and the lightweight telescope, which consists of an 8.4-foot (2.5-meter) dish antenna as well as a series of mirrors, lenses, and detectors designed and optimized to capture far-infrared light. Thanks to the dish, ASTHROS tied for the largest telescope to ever fly on a high-altitude balloon. During flight, scientists will be able to precisely control the direction that the telescope points and download the data in real-time using satellite links.

Because far-infrared instruments need to be kept very cold, many missions carry liquid helium to cool them. ASTHROS will instead rely on a cryocooler, which uses electricity (supplied by ASTHROS' solar panels) to keep the superconducting detectors close to minus 451.3 degrees Fahrenheit (minus 268.5 degrees Celsius)—a little above absolute zero, the coldest temperature matter can reach. The cryocooler weighs much less than the large liquid helium container that ASTHROS would need to keep its instrument cold for the entire mission. That means the payload is considerably lighter and the mission's lifetime is no longer limited by how much liquid helium is on board.

The team expects the balloon will complete two or three loops around the South Pole in about 21 to 28 days, carried by prevailing stratospheric winds. Once the science mission is complete, operators will send flight termination commands that separate the gondola, which is connected to a parachute, from the balloon. The parachute returns the gondola to the ground so that the telescope can be recovered and refurbished to fly again.

"We will launch ASTHROS to the edge of space from the most remote and harsh part of our planet, " said Siles. "If you stop to think about it, it's really challenging, which makes it so exciting at the same time."