Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Alabama à Huntsville (UAH) a reçu un financement de la NASA dans le cadre d'un grand collaboration américaine de cinq ans pour piloter une mission de ballon de très longue durée avec trois télescopes ultra-sensibles innovants pour détecter les rayons cosmiques et les neutrinos provenant de l'espace lointain. Lancement prévu en 2022, l'Observatoire spatial de l'Extrême Univers de deuxième génération sur un ballon à super pression (EUSO-SPB2) est une étape majeure vers une mission planifiée pour envoyer une sonde dans l'espace.

"UAH est impliqué dans cette recherche depuis plus de 20 ans, avec la science initialement dirigée ici par le regretté professeur de physique Yoshi Takahashi, " dit le Dr Patrick Reardon, qui est le directeur du Center for Applied Optics (CAO) de l'UAH et le chercheur principal de l'effort de l'UAH. "Depuis, une équipe du CAO, dont le designer optique Ken Pitalo et plusieurs étudiants, a créé et testé des conceptions optiques extraordinaires."

La science à la base de cette enquête est la recherche de la source des particules de très haute énergie provenant de l'espace qui ont frappé notre Terre. Un type de ces particules sont les rayons cosmiques :des noyaux subatomiques voyageant dans toutes les directions de l'espace, accélérée par les supernovas et d'autres phénomènes cosmiques inconnus. De même mystérieux sont les neutrinos, les "particules fantômes" qui nous traversent tout le temps, la plupart du temps non détectés.

Bien qu'il y ait beaucoup de choses que nous ignorons sur les neutrinos, la préoccupation la plus urgente est de savoir d'où ils viennent. Tout ce que l'on sait c'est que, sur la base des études de l'Observatoire Pierre Auger en Argentine, les rayons cosmiques les plus énergétiques qui frappent la Terre viennent d'au-delà de notre propre galaxie. Les rayons cosmiques et les neutrinos les plus extrêmes offrent le plus d'indices sur leurs origines et leurs déplacements, car ils peuvent résister aux effets des champs magnétiques dans l'espace qui courbent la trajectoire des particules les plus faibles. C'est ce que cette nouvelle expérience de ballon financée par la NASA va chasser.

"Ce programme nous aidera à résoudre le grand mystère de l'origine de ces particules hautement énergétiques dans l'univers, et comment ils pourraient éventuellement être faits, " dit le Dr Angela Olinto, l'Université de Chicago Albert A. Michelson Distinguished Service Professor en astronomie et astrophysique et chercheur principal de la collaboration.

Parce qu'il y a relativement peu de particules cosmiques qui entrent en collision avec la Terre, EUSO-SPB2 ne les détectera pas directement. Au lieu, l'expérience embarquée sur ballon cherchera les traînées de lumière ultraviolette et visible (photons) qui sont générées dans le sillage des particules lorsqu'elles volent dans l'atmosphère terrestre. Pour augmenter la probabilité d'obtenir des données sur les particules, il sera placé à une altitude de 100, 000 pieds, suffisamment élevé pour surveiller un grand volume de notre atmosphère.

Le défi, cependant, conçoit un système optique prenant en compte à la fois le nombre limité de photons générés et la très grande vitesse à laquelle les images doivent être acquises. Il doit non seulement avoir beaucoup plus de puissance de collecte de lumière que le télescope spatial James Webb de la NASA (JWST), mais il doit aussi tenir et être soulevé par un ballon.

"Bien que le JWST ait un miroir collecteur primaire massif de 6,4 mètres, ou 20 pieds, en diamètre, son champ de vision n'est que de 0,3 sur 0,15 degrés, " dit le Dr Reardon. " Par contraste, tandis que l'EUSO-SPB2 utilise une optique avec une zone de collecte de seulement 1 mètre de diamètre, son champ de vision est de 45 par 5 degrés." En multipliant la zone de collecte par le champ de vision, et le système UAH a environ 100 fois le débit de JWST.

Selon le Dr Reardon, c'est exactement le genre de projet pour lequel le CAO possède l'expertise en ingénierie optique. "Nous devons d'abord transformer les besoins scientifiques en spécifications optiques pratiques, " dit-il. " Ensuite, nous concevons l'optique, s'assurer qu'ils peuvent être fabriqués et assemblés avec succès." Dans certains cas, ces optiques sont produites sur place chez UAH. Après ça, il continue, « nous développons les instruments et procédures d'alignement et de test, et même aider au déploiement du système. » Ce sont les capacités que le CAO apporte à chaque projet.

En plus de concevoir et de s'assurer que les optiques sont correctement assemblées, le CAO travaille avec le Dr James Adams et le Dr Evgeny Kuznetsov du Center for Space Plasma and Aeronomic Research de l'UAH pour soutenir les systèmes d'alimentation, développement de détecteurs, et essais au sol, qui sont tous essentiels au succès de la mission.

Le ballon de la taille d'un terrain de football, qui peut voyager pendant des mois à 20 miles dans l'atmosphère transportant le pionnier 30, Observatoire de 000 livres, transportera jusqu'à trois de ces télescopes - chacun étant réglé pour rechercher des caractéristiques spécifiques qui aident à identifier les particules cosmiques. La mission sera lancée depuis la Nouvelle-Zélande afin que le ballon puisse faire un tour sur le courant-jet polaire qui entoure la partie inférieure du globe. L'objectif est que le ballon effectue plusieurs voyages autour de l'Antarctique sur une durée de 100 jours ou plus.

Le vol fournira une preuve de concept pour la sonde prévue d'astrophysique multi-messagers extrême (POEMMA), une paire de satellites en orbite avec les mêmes capacités mais avec plusieurs ordres de grandeur plus de sensibilité. UAH fait partie d'une équipe de scientifiques et d'ingénieurs de la NASA dirigée par le Dr Olinto qui conçoivent la mission POEMMA pour examen par le 2020 Astronomy and Astrophysics Survey, une priorité scientifique pour la décennie menée par la National Academy of Sciences.