Une nouvelle expérience prévue pour un lancement le 14 août vers la Station spatiale internationale offrira un aperçu sans précédent d'une pluie de particules provenant de l'espace lointain, appelés rayons cosmiques, qui inonde constamment notre planète. La mission Cosmic Ray Energetics And Mass à destination de la Station spatiale internationale (ISS-CREAM) est conçue pour mesurer les particules les plus énergétiques de tous les détecteurs ayant déjà volé dans l'espace.

CREAM a été développé à l'origine dans le cadre du programme de ballons de la NASA, au cours de laquelle il a renvoyé des mesures d'environ 120, 000 pieds en sept vols entre 2004 et 2016.

"L'expérience du ballon CREAM a atteint une exposition totale au ciel de 191 jours, un record pour toute expérience astronomique en ballon, " dit Eun-Suk Seo, professeur de physique à l'Université du Maryland à College Park et chercheur principal de l'expérience. « Exploiter la station spatiale augmentera notre exposition de plus de 10 fois, nous emmenant bien au-delà des limites énergétiques traditionnelles des mesures directes."

De nouveaux instruments sportifs, ainsi que des versions remises à neuf des détecteurs utilisés à l'origine sur les vols en ballon au-dessus de l'Antarctique, la taille d'un réfrigérateur, 1,4 tonne (1, 300 kilogrammes) L'expérience ISS-CREAM sera livrée à la station spatiale dans le cadre de la 12e mission de service de ravitaillement commercial SpaceX. Une fois là, ISS-CREAM sera déplacé vers la plate-forme Exposed Facility s'étendant de Kibo, le module d'expérimentation japonais.

De ce perchoir orbital, L'ISS-CREAM devrait étudier la « pluie cosmique » pendant trois ans, le temps nécessaire pour fournir des mesures directes sans précédent des rares rayons cosmiques de haute énergie.

À des énergies supérieures à environ 1 milliard d'électrons-volts, la plupart des rayons cosmiques nous viennent d'au-delà de notre système solaire. Divers éléments de preuve, y compris les observations du télescope spatial Fermi Gamma de la NASA, soutiennent l'idée que les ondes de choc des débris d'étoiles en expansion qui ont explosé sous forme de supernova accélèrent les rayons cosmiques jusqu'à des énergies de 1, 000 billions d'électrons-volts (PeV). C'est 10 millions de fois l'énergie des faisceaux de protons médicaux utilisés pour traiter le cancer. Les données de l'ISS-CREAM permettront aux scientifiques d'examiner comment des sources autres que les restes de supernova contribuent à la population de rayons cosmiques.

Les protons sont les particules de rayons cosmiques les plus courantes, mais des électrons, les noyaux d'hélium et les noyaux d'éléments plus lourds constituent un faible pourcentage. Tous sont des échantillons directs de matière provenant de l'espace interstellaire. Mais parce que les particules sont chargées électriquement, ils interagissent avec les champs magnétiques galactiques, les faisant errer dans leur voyage vers la Terre. Cela brouille leurs chemins et rend impossible de retracer les particules de rayons cosmiques jusqu'à leurs sources.

"Un défi supplémentaire est que le flux de particules frappant n'importe quel détecteur diminue régulièrement avec des énergies plus élevées, " a déclaré Jason Link, co-investigateur de l'ISS-CREAM, chercheur au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Alors pour mieux explorer les énergies supérieures, nous avons besoin soit d'un détecteur beaucoup plus gros, soit de beaucoup plus de temps d'observation. Opérer sur la station spatiale nous offre ce temps supplémentaire."

Les grands systèmes au sol étudient les rayons cosmiques à des énergies supérieures à 1 PeV en faisant de l'atmosphère terrestre le détecteur. Lorsqu'un rayon cosmique frappe le noyau d'une molécule de gaz dans l'atmosphère, les deux explosent dans une pluie d'éclats d'obus subatomiques qui déclenche une cascade plus large de collisions de particules. Certaines de ces particules secondaires atteignent les détecteurs au sol, fournissant des informations que les scientifiques peuvent utiliser pour déduire les propriétés du rayon cosmique d'origine.

Ces secondaires produisent également un arrière-plan perturbateur qui a limité l'efficacité des opérations de ballon de CREAM. La suppression de cet arrière-plan est un autre avantage de la relocalisation en orbite.

Avec un nombre décroissant de particules à des énergies croissantes, le spectre des rayons cosmiques ressemble vaguement au profil d'une jambe humaine. Aux énergies PeV, cette baisse s'accentue brutalement, formant un détail que les scientifiques appellent le "genou". ISS-CREAM est la première mission spatiale capable de mesurer le faible flux de rayons cosmiques à des énergies approchant le genou.

"L'origine du genou et d'autres caractéristiques restent des mystères de longue date, " a déclaré Seo. " De nombreux scénarios ont été proposés pour les expliquer, mais nous ne savons pas ce qui est correct."

Les astronomes ne pensent pas que les restes de supernova soient capables de produire des rayons cosmiques au-delà de la gamme PeV, ainsi le genou peut être formé en partie par la chute de leurs rayons cosmiques dans cette région.

"Les rayons cosmiques de haute énergie transportent une grande quantité d'informations sur notre voisinage interstellaire et notre galaxie, mais nous n'avons pas pu lire ces messages très clairement, " a déclaré le co-chercheur John Mitchell chez Goddard. " ISS-CREAM représente un pas important dans cette direction. "

L'ISS-CREAM détecte les particules de rayons cosmiques lorsqu'elles heurtent la matière constituant ses instruments. D'abord, un détecteur de charge au silicium mesure la charge électrique des particules entrantes, puis les couches de carbone fournissent des cibles qui encouragent les impacts, produisant des cascades de particules qui affluent dans les détecteurs électriques et optiques ci-dessous tandis qu'un calorimètre détermine leur énergie. Deux systèmes de détection à base de scintillateurs permettent de discerner entre les électrons et les protons à charge unique. En tout, ISS-CREAM peut distinguer les électrons, des protons et des noyaux atomiques aussi massifs que le fer lorsqu'ils percutent les instruments.

L'ISS-CREAM rejoindra deux autres expériences sur les rayons cosmiques déjà en cours sur la station spatiale. Le spectromètre magnétique Alpha (AMS-02), dirigé par une collaboration internationale parrainée par le département américain de l'Énergie, cartographie les rayons cosmiques jusqu'à un billion d'électrons-volts, et le télescope calorimétrique à électrons dirigé par le Japon (CALET), également situé sur l'installation exposée Kibo, se consacre à l'étude des électrons des rayons cosmiques.

La gestion globale de l'ISS-CREAM et l'intégration de son application de station spatiale ont été assurées par l'installation de vol Wallops de la NASA sur la côte est de la Virginie. ISS-CREAM a été développé dans le cadre d'une collaboration internationale dirigée par l'Université du Maryland à College Park, qui comprend des équipes de la NASA Goddard, Penn State University à University Park, Pennsylvanie, et l'Université du Nord du Kentucky à Highland Heights, ainsi que des institutions collaboratrices en République de Corée, Mexique et France.