Novo instrumento usou manto de gelo da Antártica para sondar o universo extremo

A carga útil para observações de energia ultra-alta (PUEO) é uma missão do Programa Pioneiros em Astrofísica da NASA projetada para detectar as partículas mais energéticas do universo. A missão PUEO voou bem acima da Antártica num Balão de Longa Duração (LDB) e usou a camada de gelo da Antártica como um enorme volume de detecção para procurar sinais de rádio gerados pelas interações de neutrinos astrofísicos extremamente energéticos à medida que passavam através do gelo. Além de procurar os neutrinos de maior energia, o PUEO também poderia detectar sinais de rádio de raios cósmicos de alta energia que caem na atmosfera da Terra (também conhecidos como chuvas de ar), seja quando os sinais entram diretamente no instrumento ou são refletidos no gelo abaixo. A sensibilidade alcançada com o instrumento PUEO foi resultado dos avanços tecnológicos e da otimização cuidadosa do projeto experimental para permitir a acomodação dentro do volume de lançamento da plataforma do balão.

Os neutrinos de energia ultra-alta que o PUEO procurava transportam informações dos locais mais extremos do Universo, incluindo buracos negros supermassivos que acumulam matéria nos centros das galáxias, fusões de estrelas de neutrões e outros poderosos aceleradores cósmicos. Como essas partículas viajam grandes distâncias em linha reta sem serem absorvidas, elas proporcionam uma visão única do universo distante e mais energético. Os dados recolhidos pelo PUEO não só revelarão a origem e a composição dos raios cósmicos de maior energia, como também testarão a física fundamental em energias muito superiores às alcançáveis ​​em aceleradores de partículas fabricados pelo homem na Terra.

A missão PUEO baseou-se na herança do programa patrocinado pela NASA Missão da Antena Transiente Impulsiva Antártica (ANITA)que teve quatro voos bem-sucedidos entre 2006 e 2016. Assim como o ANITA, o PUEO consistia em um conjunto de antenas de radiofrequência, um sistema de aquisição de dados a bordo que é acionado por sinais semelhantes a neutrinos e processa e salva os dados, e um sistema de navegação e comando e controle. A partir da sua altitude de 120.000 pés, o PUEO monitorizou um volume extremamente grande de gelo antárctico, procurando sinais de interacções muito raras de neutrinos de alta energia.

A primeira missão dos Pioneiros em Astrofísica da NASA a ser lançada, PUEO decolou em 20 de dezembro de 2025, da Instalação de Balões de Longa Duração da NASA, perto da Estação McMurdo, na Antártica, e voou por 23 dias antes de pousar a aproximadamente 120 milhas (200 km) do Pólo Sul. A carga completa foi recuperada, incluindo as unidades de dados. A equipa do PUEO está atualmente a analisar os dados recolhidos – uma tarefa que pode demorar até um ano devido à natureza complexa da tarefa.

A melhoria significativa na sensibilidade alcançada com o instrumento PUEO em comparação com o do ANITA deveu-se a uma variedade de avanços tecnológicos e à otimização cuidadosa do projeto experimental para permitir a acomodação dentro do volume de lançamento restrito da plataforma do balão.

No centro do avanço tecnológico do PUEO estava um novo tipo de gatilho chamado gatilho interferométrico de phased array. O PUEO aciona sinais somados de forma coerente de múltiplas antenas em tempo real, permitindo que o instrumento detecte sinais mais fracos do que era possível anteriormente. Ao diminuir o limiar de disparo, o PUEO poderia aprofundar o ruído e encontrar sinais de neutrinos e raios cósmicos mais fracos do que os experimentos anteriores.

A área de coleta da antena PUEO para frequências acima de 300 MHz foi duplicada em comparação com ANITA, melhorando a sensibilidade à emissão de rádio a partir de interações de partículas. Para garantir que a carga útil do PUEO permanecesse dentro do volume de lançamento permitido, a equipe aumentou o corte de baixa frequência das antenas do PUEO, o que permitiu que fossem ainda menores do que as usadas no ANITA.

Para melhorar a sensibilidade a extensas chuvas de ar produzidas por raios cósmicos e potencialmente neutrinos, o PUEO incorporou um novo instrumento de baixa frequência que foi implantado assim que a carga atingiu a altitude de flutuação (teria sido muito grande para caber no volume de lançamento permitido em sua configuração de voo). Este novo instrumento de baixa frequência incorporou antenas sensíveis até 50 MHz e estendeu a sensibilidade dos PUEOs a chuvas de ar.

Muitos dos avanços tecnológicos desenvolvidos para o PUEO também podem ser aplicáveis ​​a conceitos de missão em desenvolvimento que usariam o regolito lunar como um detector de raios cósmicos de energia ultra-alta e outras potenciais futuras missões de rádio na Lua.

Líder do Projeto: Abigail Vieregg, David N. Schramm Diretor do Instituto Kavli de Física Cosmológica e professor de Física, Astronomia e Astrofísica, e do Instituto Enrico Fermi, Universidade de Chicago, auxiliado pela estudante de graduação Rachel Scrandis

Organização(ões) patrocinadora(s): Programa Pioneiros da Divisão de Astrofísica da NASA