Cette illustration montre un ballon à haute altitude montant dans la haute atmosphère. Lorsqu'il est complètement gonflé, ces ballons ont une largeur de 400 pieds (150 mètres), ou de la taille d'un stade de football, et atteindre une altitude de 130, 000 pieds (24,6 miles ou 40 kilomètres). Crédit:Laboratoire d'images conceptuelles du Goddard Space Flight Center de la NASA / Michael Lentz
Les travaux ont commencé sur une nouvelle mission ambitieuse qui transportera un télescope de pointe de 8,4 pieds (2,5 mètres) haut dans la stratosphère sur un ballon. Lancement provisoirement prévu en décembre 2023 depuis l'Antarctique, ASTHROS (abréviation de Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-wavelengths) passera environ trois semaines à dériver sur les courants d'air au-dessus du continent sud glacial et réalisera plusieurs premières en cours de route.
Géré par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, ASTHROS observe la lumière infrarouge lointaine, ou la lumière avec des longueurs d'onde beaucoup plus longues que ce qui est visible à l'œil humain. Pour faire ça, ASTHROS devra atteindre une altitude d'environ 130, 000 pieds (24,6 milles, ou 40 kilomètres)—environ quatre fois plus que volent les avions de ligne commerciaux. Bien qu'encore bien au-dessous de la limite de l'espace (environ 62 milles, ou 100 kilomètres, au-dessus de la surface de la Terre), il sera suffisamment élevé pour observer les longueurs d'onde lumineuses bloquées par l'atmosphère terrestre.
L'équipe de la mission a récemment mis la touche finale à la conception de la charge utile de l'observatoire, qui comprend son télescope (qui capte la lumière), son instrument scientifique, et des sous-systèmes tels que les systèmes de refroidissement et électroniques. Début août, Les ingénieurs du JPL commenceront l'intégration et les tests de ces sous-systèmes pour vérifier qu'ils fonctionnent comme prévu.
Alors que les ballons peuvent sembler être une technologie archaïque, ils offrent à la NASA des avantages uniques par rapport aux missions terrestres ou spatiales. Le programme de ballons scientifiques de la NASA fonctionne depuis 30 ans à Wallops Flight Facility en Virginie. Il lance 10 à 15 missions par an à partir d'endroits dans le monde entier à l'appui d'expériences dans toutes les disciplines scientifiques de la NASA, ainsi qu'à des fins de développement technologique et d'éducation. Les missions en ballon n'ont pas seulement des coûts inférieurs à ceux des missions spatiales, ils ont également des délais plus courts entre la planification initiale et le déploiement, ce qui signifie qu'ils peuvent accepter les risques plus élevés associés à l'utilisation de technologies nouvelles ou de pointe qui n'ont pas encore volé dans l'espace. Ces risques peuvent prendre la forme de défis techniques ou opérationnels inconnus qui peuvent avoir une incidence sur la production scientifique d'une mission. En relevant ces défis, les missions en ballon peuvent préparer le terrain pour de futures missions afin de récolter les bénéfices de ces nouvelles technologies.
"Les missions de ballons comme ASTHROS sont plus risquées que les missions spatiales mais rapportent des récompenses élevées à un coût modeste, " a déclaré l'ingénieur du JPL Jose Siles, chef de projet pour ASTHROS. "Avec ASTHROS, nous visons à faire des observations astrophysiques qui n'ont jamais été tentées auparavant. La mission ouvrira la voie à de futures missions spatiales en testant de nouvelles technologies et en offrant une formation à la prochaine génération d'ingénieurs et de scientifiques."
La nébuleuse de la Carène, une région de formation d'étoiles dans la galaxie de la Voie lactée, fait partie des quatre cibles scientifiques que les scientifiques prévoient d'observer avec la mission de ballon à haute altitude ASTHROS. ASTHROS étudiera la rétroaction stellaire dans cette région, le processus par lequel les étoiles influencent la formation d'un plus grand nombre d'étoiles dans leur environnement. Crédit :NASA, ESA, N. Smith (Université de Californie, Berkeley) et al., l'équipe du patrimoine Hubble (STScI/AURA)
Yeux infrarouges dans le ciel
ASTHROS emportera un instrument pour mesurer le mouvement et la vitesse du gaz autour des étoiles nouvellement formées. Pendant le vol, la mission étudiera quatre cibles principales, y compris deux régions de formation d'étoiles dans la galaxie de la Voie lactée. Il détectera et cartographiera également pour la première fois la présence de deux types spécifiques d'ions d'azote (atomes ayant perdu des électrons). Ces ions d'azote peuvent révéler des endroits où les vents des étoiles massives et des explosions de supernova ont remodelé les nuages de gaz dans ces régions de formation d'étoiles.
Dans un processus connu sous le nom de rétroaction stellaire, de telles explosions violentes peuvent, sur des millions d'années, disperser le matériau environnant et empêcher la formation d'étoiles ou l'arrêter complètement. Mais la rétroaction stellaire peut également provoquer l'agglutination des matériaux, accélération de la formation des étoiles. Sans ce processus, tout le gaz et la poussière disponibles dans les galaxies comme la nôtre auraient fusionné en étoiles il y a longtemps.
ASTHROS réalisera les premières cartes 3D détaillées de la densité, la vitesse, et le mouvement du gaz dans ces régions pour voir comment les géants nouveau-nés influencent leur matériel placentaire. En faisant cela, l'équipe espère mieux comprendre le fonctionnement de la rétroaction stellaire et fournir de nouvelles informations pour affiner les simulations informatiques de l'évolution des galaxies.
Une troisième cible pour ASTHROS sera la galaxie Messier 83. L'observation des signes de rétroaction stellaire là-bas permettra à l'équipe ASTHROS de mieux comprendre son effet sur différents types de galaxies. "Je pense qu'il est entendu que la rétroaction stellaire est le principal régulateur de la formation des étoiles tout au long de l'histoire de l'univers, " a déclaré Jorge Pineda, scientifique du JPL, chercheur principal d'ASTHROS. "Les simulations informatiques de l'évolution des galaxies ne peuvent toujours pas tout à fait reproduire la réalité que nous voyons dans le cosmos. La cartographie de l'azote que nous allons faire avec ASTHROS n'a jamais été faite auparavant, et ce sera passionnant de voir comment ces informations contribuent à rendre ces modèles plus précis."
Cette vidéo en accéléré montre le lancement du Stratospheric Terahertz Observatory II (STO-2), une mission d'astrophysique de la NASA, de l'Antarctique en 2016. Ces missions de ballon à haute altitude offrent l'opportunité d'observer les longueurs d'onde de la lumière qui sont bloquées par l'atmosphère terrestre. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Finalement, comme quatrième cible, ASTHROS observera TW Hydrae, une jeune étoile entourée d'un large disque de poussière et de gaz où des planètes pourraient se former. Avec ses capacités uniques, ASTHROS mesurera la masse totale de ce disque protoplanétaire et montrera comment cette masse est répartie. These observations could potentially reveal places where the dust is clumping together to form planets. 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, lenses, 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."
