Um novo experimento planejado para o lançamento em 14 de agosto na Estação Espacial Internacional fornecerá uma visão sem precedentes de uma chuva de partículas do espaço profundo, chamados de raios cósmicos, que chove constantemente nosso planeta. A missão Cosmic Ray Energetics And Mass destinada à Estação Espacial Internacional (ISS-CREAM) é projetada para medir as partículas de mais alta energia de qualquer detector já voado no espaço.

CREAM foi originalmente desenvolvido como parte do Programa de Balões da NASA, durante o qual ele retornou medições de cerca de 120, 000 pés em sete voos entre 2004 e 2016.

"O experimento do balão CREAM alcançou uma exposição total do céu de 191 dias, um recorde para qualquer experimento astronômico conduzido por balão, "disse Eun-Suk Seo, um professor de física da Universidade de Maryland em College Park e o principal investigador do experimento. "Operar na estação espacial aumentará nossa exposição em mais de 10 vezes, levando-nos muito além dos limites tradicionais de energia das medições diretas. "

Novos instrumentos esportivos, bem como versões recondicionadas de detectores originalmente usados ​​em voos de balão sobre a Antártica, o tamanho de uma geladeira, 1,4 ton (1, 300 quilogramas) O experimento ISS-CREAM será entregue à estação espacial como parte da 12ª missão comercial de ressuprimento da SpaceX. Uma vez lá, ISS-CREAM será movido para a plataforma Exposed Facility estendendo-se de Kibo, o Módulo de Experiência Japonesa.

Deste poleiro orbital, Espera-se que o ISS-CREAM estude a "chuva cósmica" por três anos - tempo necessário para fornecer medições diretas incomparáveis ​​de raros raios cósmicos de alta energia.

Em energias acima de cerca de 1 bilhão de elétron-volts, a maioria dos raios cósmicos chega até nós de fora do nosso sistema solar. Várias linhas de evidência, incluindo observações do Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA, apóiam a ideia de que as ondas de choque dos fragmentos em expansão de estrelas que explodiram como supernovas aceleram os raios cósmicos até energias de 1, 000 trilhões de elétron-volts (PeV). Isso é 10 milhões de vezes a energia dos feixes de prótons médicos usados ​​para tratar o câncer. Os dados do ISS-CREAM permitirão aos cientistas examinar como outras fontes além dos remanescentes de supernovas contribuem para a população de raios cósmicos.

Prótons são as partículas de raios cósmicos mais comuns, mas elétrons, os núcleos de hélio e os núcleos de elementos mais pesados ​​representam uma pequena porcentagem. Todos são amostras diretas de matéria do espaço interestelar. Mas porque as partículas são eletricamente carregadas, eles interagem com campos magnéticos galácticos, fazendo-os vagar em sua jornada para a Terra. Isso embaralha seus caminhos e torna impossível rastrear partículas de raios cósmicos de volta às suas fontes.

"Um desafio adicional é que o fluxo de partículas que atingem qualquer detector diminui constantemente com energias mais altas, "disse o co-investigador do ISS-CREAM, Jason Link, um pesquisador do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. "Então, para explorar melhor as energias superiores, ou precisamos de um detector muito maior ou de muito mais tempo de observação. Operar na estação espacial nos dá esse tempo extra. "

Grandes sistemas baseados em terra estudam os raios cósmicos com energias maiores que 1 PeV, tornando a atmosfera da Terra o detector. Quando um raio cósmico atinge o núcleo de uma molécula de gás na atmosfera, ambos explodem em uma chuva de estilhaços subatômicos que desencadeiam uma cascata mais ampla de colisões de partículas. Algumas dessas partículas secundárias alcançam detectores no solo, fornecendo informações que os cientistas podem usar para inferir as propriedades do raio cósmico original.

Esses secundários também produzem um fundo de interferência que limita a eficácia das operações de balão do CREAM. Remover esse fundo é outra vantagem de mudar para a órbita.

Com a diminuição do número de partículas em energias crescentes, o espectro de raios cósmicos lembra vagamente o perfil de uma perna humana. Nas energias PeV, este declínio aumenta abruptamente, formando um detalhe que os cientistas chamam de "joelho". ISS-CREAM é a primeira missão espacial capaz de medir o baixo fluxo de raios cósmicos em energias que se aproximam do joelho.

"A origem do joelho e outras características permanecem mistérios de longa data, "Seo disse." Muitos cenários foram propostos para explicá-los, mas não sabemos o que é correto. "

Os astrônomos não acham que os remanescentes de supernovas sejam capazes de alimentar raios cósmicos além da faixa de PeV, portanto, o joelho pode ser moldado em parte pela queda de seus raios cósmicos nesta região.

"Os raios cósmicos de alta energia carregam uma grande quantidade de informações sobre nossa vizinhança interestelar e nossa galáxia, mas não conseguimos ler essas mensagens com muita clareza, "disse o co-investigador John Mitchell em Goddard." ISS-CREAM representa um passo significativo nesta direção. "

O ISS-CREAM detecta partículas de raios cósmicos quando elas se chocam com a matéria que constitui seus instrumentos. Primeiro, um detector de carga de silício mede a carga elétrica das partículas que chegam, em seguida, camadas de carbono fornecem metas que incentivam os impactos, produzindo cascatas de partículas que fluem para os detectores elétricos e ópticos abaixo, enquanto um calorímetro determina sua energia. Dois sistemas de detecção baseados em cintilador fornecem a capacidade de discernir entre prótons e elétrons carregados individualmente. Tudo dito, ISS-CREAM pode distinguir elétrons, prótons e núcleos atômicos tão massivos quanto o ferro que se chocam contra os instrumentos.

O ISS-CREAM se juntará a dois outros experimentos de raios cósmicos que já estão funcionando na estação espacial. O Espectrômetro Alfa Magnético (AMS-02), liderado por uma colaboração internacional patrocinada pelo Departamento de Energia dos EUA, está mapeando raios cósmicos até um trilhão de elétron-volts, e o Telescópio Eletrônico Calorimétrico liderado pelo Japão (CALET), também localizado no Kibo Exposed Facility, dedica-se ao estudo de elétrons de raios cósmicos.

O gerenciamento geral do ISS-CREAM e a integração para seu aplicativo de estação espacial foram fornecidos pelo Wallops Flight Facility da NASA na costa leste da Virgínia. ISS-CREAM foi desenvolvido como parte de uma colaboração internacional liderada pela Universidade de Maryland em College Park, que inclui equipes da NASA Goddard, Penn State University em University Park, Pensilvânia, e a Northern Kentucky University em Highland Heights, bem como instituições colaboradoras na República da Coréia, México e França.