Esta ilustração mostra um balão de alta altitude subindo para a alta atmosfera. Quando totalmente inflado, esses balões têm 400 pés (150 metros) de largura, ou do tamanho de um estádio de futebol, e chegar a uma altitude de 130, 000 pés (24,6 milhas ou 40 quilômetros). Crédito:Laboratório de imagens conceituais do Goddard Space Flight Center da NASA / Michael Lentz
O trabalho começou em uma nova missão ambiciosa que levará um telescópio de ponta de 8,4 pés (2,5 metros) de altura na estratosfera em um balão. Previsto para lançamento em dezembro de 2023 na Antártica, ASTHROS (abreviação de Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-wavelengths) vai passar cerca de três semanas à deriva nas correntes de ar acima do gelado continente do sul e conseguir vários primeiros ao longo do caminho.
Gerenciado pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, ASTHROS observa luz infravermelha distante, ou luz com comprimentos de onda muito mais longos do que o que é visível ao olho humano. Fazer isso, ASTHROS precisará atingir uma altitude de cerca de 130, 000 pés (24,6 milhas, ou 40 quilômetros) - aproximadamente quatro vezes mais alto do que os aviões comerciais voam. Embora ainda bem abaixo da fronteira do espaço (cerca de 62 milhas, ou 100 quilômetros, acima da superfície da Terra), será alto o suficiente para observar comprimentos de onda de luz bloqueados pela atmosfera da Terra.
A equipe da missão recentemente deu os toques finais no design da carga útil do observatório, que inclui seu telescópio (que capta a luz), seu instrumento de ciência, e subsistemas como o resfriamento e os sistemas eletrônicos. No início de agosto, os engenheiros do JPL começarão a integração e os testes desses subsistemas para verificar se funcionam conforme o esperado.
Embora os balões possam parecer tecnologia antiquada, eles oferecem vantagens exclusivas da NASA em relação às missões baseadas no solo ou no espaço. O Programa de Balões Científicos da NASA está operando há 30 anos nas Instalações de Voo Wallops, na Virgínia. Ele lança de 10 a 15 missões por ano em locais ao redor do mundo para apoiar experimentos em todas as disciplinas científicas da NASA, bem como para fins de desenvolvimento de tecnologia e educação. As missões de balão não têm apenas custos mais baixos em comparação com as missões espaciais, eles também têm tempos mais curtos entre o planejamento inicial e a implantação, o que significa que eles podem aceitar os riscos mais elevados associados ao uso de tecnologias novas ou de última geração que ainda não voaram no espaço. Esses riscos podem vir na forma de desafios técnicos ou operacionais desconhecidos que podem impactar a produção científica de uma missão. Ao lidar com esses desafios, missões de balão podem preparar o terreno para missões futuras para colher os benefícios dessas novas tecnologias.
"Missões de balão como ASTHROS são de maior risco do que as missões espaciais, mas rendem grandes recompensas a um custo modesto, "disse o engenheiro do JPL Jose Siles, gerente de projeto para ASTHROS. "Com ASTHROS, pretendemos fazer observações astrofísicas que nunca foram tentadas antes. A missão abrirá o caminho para futuras missões espaciais, testando novas tecnologias e fornecendo treinamento para a próxima geração de engenheiros e cientistas. "
A Nebulosa Carina, uma região de formação de estrelas na galáxia da Via Láctea, está entre quatro alvos científicos que os cientistas planejam observar com a missão de balão de alta altitude ASTHROS. ASTHROS estudará feedback estelar nesta região, o processo pelo qual as estrelas influenciam a formação de mais estrelas em seu ambiente. Crédito:NASA, ESA, N. Smith (Universidade da Califórnia, Berkeley) et al., a equipe do Hubble Heritage (STScI / AURA)
Olhos infravermelhos no céu
O ASTHROS carregará um instrumento para medir o movimento e a velocidade do gás em torno de estrelas recém-formadas. Durante o vôo, a missão vai estudar quatro alvos principais, incluindo duas regiões de formação de estrelas na galáxia da Via Láctea. Ele também detectará e mapeará pela primeira vez a presença de dois tipos específicos de íons de nitrogênio (átomos que perderam alguns elétrons). Esses íons de nitrogênio podem revelar lugares onde ventos de estrelas massivas e explosões de supernovas remodelaram as nuvens de gás dentro dessas regiões de formação estelar.
Em um processo conhecido como feedback estelar, tais explosões violentas podem, ao longo de milhões de anos, dispersar o material circundante e impedir a formação de estrelas ou interrompê-la completamente. Mas o feedback estelar também pode fazer com que o material se aglomere, acelerando a formação de estrelas. Sem este processo, todo o gás e poeira disponíveis em galáxias como a nossa teriam se aglutinado em estrelas há muito tempo.
ASTHROS fará os primeiros mapas 3D detalhados da densidade, Rapidez, e o movimento do gás nessas regiões para ver como os gigantes recém-nascidos influenciam seu material placentário. Ao fazê-lo, a equipe espera obter uma visão sobre como funciona o feedback estelar e fornecer novas informações para refinar as simulações de computador da evolução da galáxia.
Um terceiro alvo para o ASTHROS será a galáxia Messier 83. A observação de sinais de feedback estelar permitirá à equipe do ASTHROS obter uma visão mais profunda de seu efeito em diferentes tipos de galáxias. "Acho que está entendido que o feedback estelar é o principal regulador da formação de estrelas ao longo da história do universo, "disse o cientista do JPL Jorge Pineda, investigador principal do ASTHROS. "As simulações de computador da evolução da galáxia ainda não conseguem reproduzir a realidade que vemos no cosmos. O mapeamento de nitrogênio que faremos com ASTHROS nunca foi feito antes, e será emocionante ver como essas informações ajudam a tornar esses modelos mais precisos. "
Este vídeo de lapso de tempo mostra o lançamento do Observatório Estratosférico Terahertz II (STO-2), uma missão astrofísica da NASA, da Antártica em 2016. Essas missões de balão de alta altitude oferecem a oportunidade de observar comprimentos de onda de luz que são bloqueados pela atmosfera da Terra. Crédito:NASA / JPL-Caltech
Finalmente, como seu quarto alvo, ASTHROS observará TW Hydrae, uma jovem estrela rodeada por um amplo disco de poeira e gás onde os planetas podem estar se formando. Com seus recursos exclusivos, O ASTHROS medirá a massa total deste disco protoplanetário e mostrará como essa massa está distribuída. Essas observações podem revelar locais onde a poeira se aglomera para formar planetas. Learning more about protoplanetary disks could help astronomers understand how different types of planets form in young solar systems.
A Lofty Approach
To do all this, ASTHROS will need a big balloon:When fully inflated with helium, it will be about 400 feet (150 meters) wide, 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, lentes, 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."
