Planant à environ 23 milles au-dessus du pôle Sud, une expérience de l'Université du Kansas suspendue à un ballon météorologique à haute altitude calcule comment la surface de l'Antarctique réfléchit les signaux radio causés par les rayons cosmiques à ultra-haute énergie.

L'expérience Hi-Cal (High-Altitude Calibration) boucle autour du pôle Sud, traînant des centaines de kilomètres derrière un autre groupe d'instruments attachés à un ballon beaucoup plus gros, appelé ANITA (pour Antarctique Impulsive Transient Antenna, et financé par la NASA depuis 2003). Le but expérimental ultime est de mesurer les neutrinos à ultra-haute énergie et les rayons cosmiques à ultra-haute énergie qui interagissent dans la glace antarctique, ou avec l'atmosphère terrestre, créer des ondes radio.

Pour comprendre le but de Hi-Cal, comprendre d'abord la mission de recherche de l'ANITA est la clé.

"L'expérience ANITA consiste à détecter des rayons cosmiques à ultra haute énergie, et ceux-ci sont détectés grâce au rayonnement radiofréquence produit lorsqu'un rayon cosmique frappe une molécule terrestre, ce qui crée une pulvérisation de débris comprenant des particules et un rayonnement radiofréquence, " a déclaré David Besson, professeur de physique &astronomie à la KU, qui dirige l'équipe Hi-Cal.

Besson a déclaré que les rayons cosmiques descendants génèrent des fréquences radio détectées par ANITA principalement sous forme de réflexions de surface, rebondissant de la surface de l'Antarctique.

"Pour comprendre les propriétés des radiofréquences collectées par ANITA, vous devez comprendre la réflectivité de surface, " a dit Besson.

C'est ici qu'intervient l'expérience Hi-Cal opérée par KU.

"Hi-Cal est une expérience compagnon qui vole de 125 à 620 miles derrière la charge utile principale et envoie un ping, " dit Besson. " Ce ping radiofréquence, qui a une durée de 10 à 20 nanosecondes, est détecté par ANITA provenant directement de l'émetteur Hi-Cal ainsi que de la réflexion de surface de l'Antarctique. En regardant le rapport des deux signaux, vous pouvez déduire les propriétés de surface de la neige antarctique."

Alors que le ballon de plomb ANITA est chargé de milliers de dollars de gadgets de haute technologie, le ballon Hi-Cal suivant utilise un briquet piézoélectrique que tout le monde peut acheter dans une quincaillerie comme dispositif de ping.

« Le cœur du projet Hi-Cal est un briquet à barbecue à 10 $, " a déclaré Besson. " C'est une idée très intelligente qu'un couple d'étudiants diplômés ont montré qu'elle pouvait fonctionner. Lorsque nous l'avons allumé lors de la première mission il y a trois ans, ANITA a immédiatement enregistré les signaux de Hi-Cal à 500 milles de distance. L'avantage de l'Antarctique, c'est qu'elle est si silencieuse à la radio, c'est possible, ici à Lawrence, Kansas, ce serait difficile avec autant de bruit radio."

Contrairement aux briquets avec un mécanisme à silex, les briquets piézoélectriques fonctionnent lorsqu'ils sont comprimés mécaniquement et soudainement relâchés.

"L'énergie mécanique emmagasinée, si vous le considérez comme un ressort, apparaît comme une très haute tension, " dit Besson. " Avec ce briquet piézoélectrique, nous avons pu générer des tensions allant jusqu'à 20 $, 000 générateurs de signaux que vous auriez à commander sur mesure. L'inconvénient est que cela nécessite un réglage fin pour optimiser. »

Financé par 230 $, 000 000 de financement de la NASA il y a environ trois ans, le ballon Hi-Cal avec son ping allume-barbecue a effectué trois missions expérimentales dans le but de mieux saisir la réflectivité de l'Antarctique aux fréquences radio. Les principaux chercheurs de la KU travaillant sur l'expérience incluent Steven Prohira, Sacha Novikov, Jessica Stockham et Mark Stockham.

"Nous avons un lancement tous les deux ans, " dit Besson. " Le ballon monte et tourne en rond. En Antarctique, il y a le vortex circumpolaire. Si vous lancez un ballon, il vole en cercle autour du pôle jusqu'à ce que le vent commence à l'éloigner du continent et vers l'océan. Quand cela arrive, vous lui envoyez un signal pour abandonner la charge utile ANITA. Cette charge utile la plus récente a été abandonnée en janvier dernier, et en ce moment, il y a une équipe de récupération comprenant deux membres de KU qui récupère le matériel expérimental. Ils volent vers l'emplacement à bord d'un avion Twin Otter et le recherchent."

La plus petite charge utile Hi-Cal n'est pas récupérée. Besson a déclaré que le dernier vol de Hi-Cal a duré environ 10 jours. Les deux expériences voleront à nouveau en tandem en 2020.

"Nous essayons de calibrer l'Antarctique, " a dit Besson. " Si vous pouvez comprendre la réflectivité de l'Antarctique, vous pourriez faire une mesure précise du spectre d'énergie pour chaque rayon cosmique dans sa réflexion de surface. Vous avez besoin de cette mesure pour déplier les effets de la réflectivité de surface."

Selon le chercheur de la KU, à mesure que les scientifiques derrière Hi-Cal et ANITA accumulent plus de données, ils espèrent pouvoir détecter la source des rayons cosmiques à ultra-haute énergie.

"C'est l'un des grands Saint Graal de la physique contemporaine des rayons cosmiques, appelée astrophysique des particules, " a-t-il dit. " Le Saint Graal est d'identifier un point dans le ciel qui produit des rayons cosmiques de très haute énergie, mais les gens ont eu un succès limité. Il existe des preuves provenant d'autres expériences qu'un type de galaxie radio-forte appelée blazar peut abriter un trou noir supermassif en son centre. Une autre source pourrait être un sursaut gamma. Nous espérons que ce travail pourra aider à affiner la source - vous devez connaître les caractéristiques de réflectivité de la surface pour obtenir cette image."

Besson a suggéré que récemment ANITA peut avoir atterri sur un mystère encore plus profond.

"Ils ont détecté une classe d'événements qui ne semblent correspondre ni au proton des rayons cosmiques ni au processus des neutrinos à rayons cosmiques - leur source est définitivement un casse-tête, " dit-il. " ANITA est la seule expérience qui a détecté cette classe d'événements. Il y a eu une annonce de l'ANITA et quelques articles théoriques de suivi récemment."