Прикрепленная к воздушному шару гондола готовится к запуску 31 декабря 2023 года. Фото: НАСА.
Пятьдесят восемь дней назад почти безветренным утром на шельфовом леднике Росс над Антарктидой пролетел воздушный шар размером со стадион, неся с собой технологии дальнего инфракрасного диапазона из обсерватории Стюарда Университета Аризоны в поисках подсказок о жизненном цикле звезд в наша галактика и за ее пределами.
GUSTO – сокращение от Галактической/Внегалактической Спектроскопической Терагерцовой Обсерватории ULDB – теперь побила рекорд НАСА как самая продолжительная миссия на воздушном шаре с тяжелой грузоподъемностью, которая ранее составляла 55 дней, 1 час и 34 минуты. В настоящее время огромный воздушный шар с нулевым давлением движется в стратосферных воздушных потоках на высоте 120 000 футов над Антарктическим континентом, собирая дальнее инфракрасное радиоизлучение материи между звездами. GUSTO превзошел предыдущий рекорд в 10:22 утра в субботу по времени Тусона.
Слабые терагерцовые сигналы, которые ищет GUSTO, — с частотами в миллион раз выше, чем волны, излучаемые FM-радио, — легко поглощаются водяным паром в атмосфере Земли, прежде чем они смогут достичь наземных телескопов. Только очень засушливые или высокогорные места хорошо подходят для обсерваторий, которые улавливают некоторые из этих неуловимых фотонов, например, высокогорная пустыня Атакама и Южный полюс.
В поисках более засушливых условий «мы вынуждены отправляться во все более и более отдаленные места», — сказал профессор астрономии обсерватории Стюарда Крис Уокер, главный исследователь миссии GUSTO, который работал над проектами телескопов в Антарктиде с 1994 года. Наука о воздушных шарах открывает новые возможности. возможности для быстро развивающейся области терагерцовой спектроскопии, позволяющей наблюдателям собирать сигналы дальнего инфракрасного диапазона до того, как они потеряются в нижних слоях атмосферы, за небольшую часть стоимости полностью космического телескопа.
Воздушные телескопы, такие как GUSTO, сочетают в себе возможности космических наблюдений с близостью к наземным операциям, и они сталкиваются с уникальными проблемами. Для успешного запуска требуется идеальное погодное окно с низкой скоростью ветра как на земле, так и в стратосфере.
Когда позволяют условия, сам запуск представляет собой зрелищное зрелище. Грузовики сопровождения выезжают на шельфовый ледник, по трубе гелий попадает в воздушный шар, который по мере наполнения поднимается и хлопает «как парус», сказал Уокер. «Вы начинаете слышать поток гелия, когда воздушный шар надувается, а когда его отпускают, он грохочет, разворачиваясь». Это непростое время: если есть дефекты или сдвиг ветра, воздушный шар может разорваться. О рекордном проекте Уокер сказал: «Полет на воздушном шаре — самое сложное, что я делал профессионально, но это также и самое полезное».
Если все пойдет хорошо, как это было в случае с GUSTO, воздушный шар поднимет телескоп внутри своей специализированной гондолы и доставит его на высоту 22 мили над Землей к отдаленному стыку между стратосферой и космосом. Отсюда астрономы полагаются на круговые потоки ветра над антарктическим континентом летом в Южном полушарии, которые несут воздушный шар по широким петлям, собирая световые признаки космических химикатов.
На борту GUSTO детекторы эмиссионных линий собирают молекулярную информацию о межзвездной среде — космическом газе и пыли между звездами, которые порождают новые звезды и галактики.
«Мы все были частью межзвездной среды — каждый атом и молекула в вашем теле в какой-то момент были газом и пылью, текущими между звездами», — сказал Уокер. Ситуация усложняется тем, что химия Вселенной сегодня отличается от той, которая была после большого взрыва. Чтобы понять историю формирования звезд во Вселенной – и, как следствие, историю нашего собственного происхождения – астрономы заинтересованы в сравнении состава межзвездной среды в галактиках разного возраста.
Целью GUSTO является составление карты распределения углерода, кислорода и азота в молодом Млечном Пути и в соседнем Большом Магеллановом Облаке, характеристики которого сравнимы с гораздо более старыми галактиками. Сравнение двух галактик поможет команде GUSTO провести первое полное спектроскопическое исследование всех фаз звездного жизненного цикла, от развития межзвездных газовых облаков до формирования звездных питомников, рождения и эволюции звезд.
Миссия GUSTO прошла долгий путь, чтобы достичь стратосферы. Команда Уокера представила предложение программы NASA Explorer в 2014 году, и проект был выбран НАСА в 2017 году. Гондола для миссии была построена Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса; Команда Уокера из обсерватории Стюарда в Университете Аризоны предоставила телескоп и приборы, называемые «полезной нагрузкой», работая вместе с различными партнерами, включая Лабораторию реактивного движения НАСА.
В августе 2023 года команда GUSTO провела испытание на подвешивание в Научном центре воздушных шаров Колумбии НАСА в Палестине, штат Техас. Оттуда полностью интегрированная гондола и полезная нагрузка, весящие примерно как внедорожник, отправились в Антарктиду на борту грузового самолета НАСА C-130H — впервые миссия на воздушном шаре была доставлена по воздуху в полностью собранном виде. В Антарктиде команда GUSTO провела осенние и зимние месяцы, совершая ежедневные 12-километровые поездки от станции Мак-Мердо до ангара, чтобы подготовить телескоп к запуску, путешествуя на борту антарктических фургонов с колоссальными шинами низкого давления по замерзшей местности.
31 декабря, спустя десять лет после того, как команда GUSTO представила свое исследовательское предложение, миссия стартовала при слабом ветре и ясном небе, когда белый воздушный шар вздымался на фоне ледяной горы Эреб.
В кампусе Университета Аризоны исследователи GUSTO продолжают тренировать выносливость в экстремальных условиях. В то время как многие члены команды GUSTO отправились на станцию Мак-Мердо, чтобы подготовиться к запуску миссии, Крейг Кулеса, доцент-исследователь Обсерватории Стюарда и заместитель главного исследователя GUSTO, «развернулся» в здании прикладных исследований в кампусе Университета Аризоны, сказал Уокер. Отсюда, в комнате без окон, Кулеса управляет полезной нагрузкой в полете, часто спит на полу и делит управление с командой стюардской обсерватории.
Данные поступают в режиме реального времени через разнообразную сеть телекоммуникационных технологий, включая геосинхронные спутники, Iridium и StarLink. Члены команды GUSTO в Университете Аризоны и Университете Джонса Хопкинса работают круглосуточно, контролируя и удаленно управляя приборами и гондолой соответственно. Круглосуточная линия Zoom соединяет партнеров на разных континентах, от Гарварда до Голландии.
Подняв прямую трансляцию траектории полета GUSTO, Уокер показал путь, который воздушный шар уже пролетел над континентом площадью 5,4 миллиона квадратных миль, каждая петля на экране имеет свой цвет. У миссии нет установленной даты приземления — впервые НАСА дало разрешение на полет воздушного шара настолько долго, насколько это возможно, даже если он отклонится от края антарктического континента или приземлится там, где его невозможно будет вернуть.
Это будет самая длинная в истории миссия тяжелого воздушного шара в стратосферу. О рекордном полете.
«GUSTO доказала, что воздушные шары можно использовать для достижения действительно революционных научных результатов не только в течение нескольких дней, но и в течение недель и недель», — сказал Уокер.
Продолжительность полета в конечном итоге будет зависеть от того, как долго сможет работать система охлаждения (ожидается, что баллона с жидким гелием на борту хватит до марта) и от изменения температуры по мере того, как антарктические дни начнут сокращаться. Воздушные шары, такие как GUSTO, могут выполнять длительные полеты только летом в полярных регионах, где воздушный шар остается под постоянным солнечным светом и не тонет в прохладном ночном воздухе.
Перекрывающиеся синие, зеленые и красные контуры полетных контуров GUSTO кажутся небольшими на экране Уокера, но они представляют собой огромный шаг в терагерцовой астрономии: 4800 фунтов технологии Университета Аризоны перемещаются на крайнем краю атмосферы дольше, чем когда-либо прежде.
Если следующее исследовательское предложение Уокера будет реализовано, те же самые приборы, которые сейчас находятся на борту GUSTO, могут быть испытаны в космосе в поисках неуловимых дальних инфракрасных сигнатур планетообразующих систем и обитаемых зон.
«Если вы не продвигаетесь вперед, какой в этом смысл?» — сказал Уокер.
Информация от: Университетом Аризоны
