Уникальный прибор PUEO, разработанный Чикагским университетом, был установлен на воздушном шаре НАСА для поиска высокоэнергетических нейтрино
Прошло много лет работы над созданием чрезвычайно чувствительного прибора – и наконец учёные Чикагского университета стояли и смотрели, как он взлетел и исчез из виду в ярко-голубом небе Антарктиды.
Прибор запустили 20 декабря, и в течение следующих 23 дней он путешествовал на воздушном шаре НАСА по самым высоким слоям атмосферы, сканируя континент Антарктида с высоты 36000 метров в поисках крошечных посетителей из космоса, известных как нейтрино.
Миссия, известная как Payload for Ultrahigh Energy Observations (PUEO), вернулась на Землю 12 января, приземлившись в нескольких сотнях километров от Южного полюса.
Хотя PUEO передал некоторые из своих показаний во время полёта, команда по извлечению данных отправилась к месту его приземления, чтобы забрать его «чёрный ящик», содержащий полный набор собранных им данных. Когда данные поступят в Чикаго, учёные смогут приступить к их анализу и реализации цели PUEO: поиска энергичных частиц, которые мы пока не нашли, но которые теоретически могут рассказать нам о самых экстремальных явлениях во Вселенной.
«С помощью PUEO мы можем обнаружить частицы с самой высокой энергией во Вселенной, но даже если мы их не найдём, мы всё равно узнаем о том, как функционируют самые энергичные места в нашей Вселенной», — сказала Эбигейл Вирегг, профессор астрономии, астрофизики и физики Чикагского университета и директор Института космологической физики имени Дэвида Н. Шрамма, которая возглавляет миссию PUEO.
НАСА выбрала PUEO для финансирования в рамках первой серии миссий «Пионеры астрофизики». PUEO была первой из них, которая была запущена.
Поиск частиц во льду
То, что ищет PUEO, а именно нейтрино, постоянно падает на Землю из космоса. Обычно мы этого не замечаем — они только изредка взаимодействуют с нашим миром — но учёные считают, что есть небольшая подгруппа этих частиц, которая обладает чрезвычайно высокой энергией – и пока мы их ещё не видели.
Эти более редкие нейтрино будут обладать гораздо большей энергией, чем частицы, которые учёные разгоняют в Большом адронном коллайдере в Европе. Их обнаружение могло бы дать нам редкую возможность заглянуть в самые неспокойные места во Вселенной, где могут рождаться такие нейтрино, например в чёрные дыры или в столкновения между сверхплотными нейтронными звёздами.
Однако, чтобы поймать то, что мы никогда раньше не видели, нужно создать инструмент, которого у нас раньше не было.
Принцип PUEO, как и его предшественника ANITA, созданного Гавайским университетом, основан на том факте, что лёд очень хорошо проводит радиоволны. Если высокоэнергетическое нейтрино попадает в атом в огромном слое льда, покрывающем Антарктиду, столкновение вызывает радиоволны, которые распространяются через лёд и воздух над ним. Поэтому всё, что нужно было сделать команде, — это разработать новый инструмент, способный улавливать эти чрезвычайно слабые сигналы, а НАСА запустила бы его на воздушном шаре, который мог бы поднять его над континентом.
«По сути, мы используем весь континент Антарктиды в качестве детектора», — сказал Космин Диакону, профессор-исследователь Чикагского университета, который написал программное обеспечение для PUEO и помог создать этот прибор.
Команда разработала PUEO так, чтобы он был значительно более чувствительным, чем ANITA, благодаря достижениям в области электроники и новой конструкции, позволяющей объединять сигналы от нескольких антенн в режиме реального времени, чтобы выделить более слабые сигналы нейтрино из шума.
За последние пять лет лаборатории по всему миру, в том числе шесть других сотрудничающих учреждений в США, а также учреждения в Европе и Азии, создали составные части PUEO и отправили их в Чикаго для сборки. Окончательный вариант прибора PUEO состоял из концентрических кругов из 96 сверхчувствительных радиоантенн, окружающих «мозг», который сортирует поступающие сигналы и определяет, какие из них могут потенциально исходить от нейтрино. Прибор питается от массива солнечных панелей.
В апреле прошлого года прибор был отправлен в Палестин, штат Техас, для тестирования на объекте НАСА, чтобы убедиться, что он может функционировать в сложных условиях околокосмического пространства.
«Нужно проверить много вещей, но особенно важно, чтобы электроника работала в вакууме, — сказал Диакону. — Большая проблема заключается в том, что без воздуха нельзя использовать вентиляторы для охлаждения электроники, если она перегревается».
После дополнительных настроек и испытаний группа снова разобрала прибор, чтобы его можно было отправить автомобильным транспортом в Калифорнию, затем морским транспортом в Крайстчерч (Новая Зеландия) — ближайший крупный порт к станции Мак-Мердо в Антарктиде, и, наконец, авиационным транспортом на станцию НАСА в Антарктиде, где проводятся метеорологические наблюдения с помощью воздушных шаров.
Там команда уставших от недосыпания учёных быстро собрала прибор в последний раз перед началом стартового окна в середине декабря.
Ветер для запуска
До сих пор PUEO успешно проходил в��е испытания. Но, возможно, самое сложное было ещё впереди.
Запуск чего-либо на борту гигантского воздушного шара сопряжён с риском. Это ещё более рискованно, когда прибор настолько сложен, и всё зависит от идеальных условий — а это сложная задача на континенте, известном своей экстремальной погодой. Для успешного запуска воздушных шаров погода должна быть не только ясной, но и стабильной на всём пути до ближнего космоса.
«Воздушный шар и полезный груз настолько длинные, что при сильных колебаниях в слоях атмосферы могут возникнуть проблемы», — пояснил Кит Макбрайд, постдок Чикагского университета, который руководил разработкой основных частей прибора PUEO.
«Работа была напряжённой, потому что окно для запуска может открыться в любое время дня и ночи после того, как в начале декабря сформируется полярный вихрь, и нужно быть готовым в любой момент», — сказал Диакону.
PUEO повезло, что запуск удался с первой попытки. Метеорологи и сотрудники НАСА определили окно для запуска ранним утром 20 декабря. Большой пусковой грузовик, который учёные окрестили «Босс», перевёз PUEO на стартовую площадку — большую ровную площадь, где снег заранее разровняли. Разрешение на запуск было дано почти в 6 утра.
Сначала запустили шар. Затем, когда он поднялся, то начал поднимать за собой прибор, пока вся конструкция высотой 210 м не оказалась в воздухе. В этот момент наземная команда дала команду PUEO развернуть солнечные панели, которые обеспечивают миссию электричеством на высоте 36000 метров. Затем, когда PUEO достиг окончательной высоты полёта, под основной полезной нагрузкой были развёрнуты дополнительные антенны для повышения чувствительности.
«Есть что-то очень волнующее (и немного нервирующее) в том, чтобы видеть, как последние пять лет твоей работы уплывают прочь, — сказала Рэйчел Скрандис, аспирантка Чикагского университета и руководитель отдела радиочастотной электроники PUEO. — Мы создали PUEO, чтобы он стал самым чувствительным в мире экспериментом по исследованию нейтрино сверхвысокой энергии, но после запуска мы полностью зависим от ветров, которые должны перенести нас надо льдом, где наш эксперимент сможет проявить себя».
Солнце и лёд
Даже после успешного запуска PUEO ещё не было времени расслабляться.
В течение следующих трёх недель учёные должны были дежурить по очереди, чтобы постоянно контролировать показания приборов, пока устройство летело в разреженном воздухе на границе атмосферы и космоса.
PUEO был построен так, чтобы функционировать как можно более независимо, но экипажу всё же пришлось вносить корректировки во время полёта. Например, полезный груз вращался медленнее, чем они ожидали, а это означало, что солнце долгое время светило на одну его сторону, неравномерно нагревая прибор.
«Нам пришлось очень внимательно следить за перегревом, чтобы он не стал слишком сильным», — сказал Макбрайд.
В таких миссиях важна каждая секунда. Если бы что-то в приборе сломалось, миссия потеряла бы драгоценное время для сбора данных.
После более чем трёх недель в воздухе экипаж принял решение вернуть прибор на Землю.
«Метеорологи прогнозировали, что ветер утихнет, и нужно было доставить груз в место, где он мягко приземлится, чтобы его можно было извлечь», — сказал Деакону.
По сигналу НАСА трос между PUEO и воздушным шаром был перерезан, а парашют раскрылся. PUEO мягко опустился на Землю примерно в 300 милях к северу от Южного полюса, на участке льда, до которого легко можно было добраться на транспортных средствах.
«Чёрный ящик», содержащий от 50 до 60 терабайт данных, собранных за время миссии, успешно извлекли и отправили в Мак-Мердо, а оттуда он поедет в Крайстчерч и, наконец, в Чикаго. Затем начнётся тщательный процесс сортировки, калибровки и анализа данных, чтобы увидеть, смог ли PUEO поймать какие-либо из этих необычных нейтрино — посланников из других галактик.
Учёные заявили, что первые результаты будут готовы примерно через год.
«Нам, вероятно, понадобится месяц, чтобы просто обработать все данные на компьютере — так их там много», — сказал Макбрайд.
Но для учёных небольшая пауза в работе — это даже кстати.
«Теперь, когда воздушный шар спустился, мы наконец-то сможем немного поспать», — сказал Диакону.
