Sveriges största ballongburna forskningsprojekt − PoGOLite studerar kosmisk röntgenstrålning

Någon gång under de närmaste veckorna kommer en gigantisk ballong med ett svensklett internationellt forskningsuppdrag stiga upp från rymdbasen Esrange. Ballongen är så stor att Globen i Stockholm verkar liten − volymen är den dubbla. På sin resa tar ballongen med sig instrument för att samla fakta kring några av rymdens mest spännande objekt; neutronstjärnorna och den strålning de avger.

PoGoLite hängande i den enorma lastaren Hercules− Vi vet inte exakt vad vi kan förvänta oss, eftersom ingen har gjort den här typen av mätningar tidigare, säger Mark Pearce, professor i astropartikelfysik vid KTH i Stockholm och projektledare för PoGOLite (Polarised Gamma-ray Observer) och ballongen Pathfinder.

Aldrig tidigare har en så stor, svenskledd ballong lämnat rymdbasen Esrange utanför Kiruna. Den beräknas lyfta i slutet av juni och ska på hög höjd segla med de rådande västliga vindarna, s.k. polarvirvel.

− För experimentets skull är det viktigt med en så lång flygtur som möjligt. Ju längre tid vi har möjlighet att observera, desto större är chansen att vi kan hitta mönster och rytmer i den kosmiska strålning som neutronstjärnorna avger. Något som vi hittills inte har full förståelse för, det gäller särskilt polarisationen, säger projektledaren Mark Pearce.

Elektromagnetiska vågor, till exempel vanligt ljus, kan svänga i olika riktningar. Om strålningen huvudsakligen svänger i en bestämd riktning, klassas den som polariserad. Ballongen Pathfinder medför instrument som kan mäta polarisationen hos den osynliga kosmiska röntgenstrålning som kommer från rymdens mest högenergetiska objekt, neutronstjärnorna.

Neutronstjärnor uppstår ur kollapsade stjärnor och har ofattbar stark gravitation − två hundra miljarder gånger starkare än på jorden. En genomsnittlig neutronstjärna har en diameter på endast 20 kilometer, ungefär lika mycket som en medelstor svensk stad, men den har samma massa som solen. De är så tätt sammanpackade att en tesked av en neutronstjärna skulle väga en miljard ton på jorden. Skulle ett föremål släppas från en meters höjd skulle sluthastigheten när föremålet kraschade på ytan vara över sju miljoner kilometer i timmen. Rotationshastighet på en neutronstjärna kan vara flera hundra varv i sekunden.

− Tack vare ballongen kan vi med våra specialbyggda instrument studera en extrem miljö och dess egenskaper, en miljö som inte går att skapa på jorden. Det är dessa stjärnors strålningsenergi vi ska försöka kartlägga, säger Mark Pearce.

Neutronstjärnor sänder ut osynligt ljus, kosmisk strålning. Vissa sänder ut strålningen i omgångar, pulser, och kallas pulsarer. De ger ifrån sig både gamma- och röntgenstrålar samt radiovågor. Det är särskilt pulsarerna som Mark Pearce är nyfiken på.

Det främsta studieobjektet för PoGOLite är den så kallade Krabbnebulosan, rester av en stjärna som exploderade år 1054 i vår galax, består av en neutronstjärna, en pulsar, som sänder ut den starkaste röntgenstrålningen i rymden nära oss. Resultaten kan ge ytterligare några pusselbitar till hur vårt gåtfulla universum fungerar. Vi ser bara fem procent av all materia i universum. Resten är mörk materia och mörk energi.

− Här på jorden filtrerar atmosfären bort nästan all kosmisk strålning, så för att kunna mäta den behöver vi komma upp på en nivå där luften tar slut. Fyra mil upp i atmosfären är lufttrycket bara två millibar, nere på jordytan ligger det runt tusen millibar.

− PoGOLite (The Polarised Gamma-ray Obeserver) är ett slags teleskop som fångar upp osynlig kosmisk strålning. Teleskopet innehåller ett plastliknande material som när det träffas av fotoner, avger ett svagt blått ljus. Det blåaktiga ljuset registreras av känsliga fotondetektorer som förvandlar det till elektriska signaler och sparas till tre minnesenheter på sammanlagt 15 hårddiskar (SSD) som är med på resan, säger Mark Pearce.

På så sätt kommer PoGOLite att kunna dokumentera polarisationen hos kosmisk röntgenstrålning i ett energiintervall på 25 – 100 keV.

Instrumentet är upphängt i ett avancerat styrsystem, utvecklat av DST CONTROL i Linköping, som automatiskt justerar teleskopets riktning mot studieobjektet, oavsett ballongens läge och rotation. Från markkontrollen på Esrange kan forskargruppen, via radiolänk, koppla upp sig till PoGOLite för att övervaka och vid behov justera teleskopet.

------------------------
Projektidén som väcktes 2004 har utvecklats till ett internationellt projekt tillsammans med kolleger i Japan, USA och har kunnat bli verklighet, bland annat tack vare anslag ur Wallenbergstiftelsen och stöd från Rymdstyrelsen och Vetenskapsrådet. Totalbudgeten för projektet är ca 20 miljoner kronor.

Ballongen PathFinder

Materialet i ballongen som lyfter gammaobservatoriet PoGoLite är inte tjockare än en vanlig fryspåse i plast. Det är också snarlikt; helt genomskinlig polyeten. Och mycket känsligt.

− En enda liten osynlig fettfläck på ballongen kan räcka för att den inte kan fullfölja sitt uppdrag. Väl uppe i stratosfären fryser fettet och orsakar hål i plasten, säger Tomas Hedqvist, operativ ledare på SSC som har arbetat 33 år på rymdbasen Esrange.

Trots sin tunna struktur väger materialet i ballongen hela två ton. Den är tillverkad av amerikanska Aerostar och levereras i ett stort rör. Ballongen kan bara packas upp en enda gång. Är den väl framtagen måste den användas.

− Så det gäller att välja rätt dag, eftersom en sådan ballong kostar mellan 3-4 miljoner kronor, säger Tomas Hedqvist på Esrange. För att kunna lyfta fyra ton, det vill säga sin egen vikt plus nyttolasten på två ton, fylls ballongen med 6 500 kubikmeter helium. Gaskostnad: mellan 150 000 - 200 000 kronor.

Helst ska det inte blåsa alls, max två-tre meter per sekund, mer är inte godtagbart eftersom det är väldiga krafter i rörelse. Ballongen blir till ett vindfång, en spinnaker av enorma mått, när den reser sig tre hundra meter upp i luften.

− Det räcker inte att bara ha koll på vindarna nere vid marken, det kan blåsa helt annorlunda i luftskikten högre upp. Mellan klockan fyra och fem på morgonen brukar det i regel vara som lugnast, och om det råder högtryck över Ryssland innebär det stabilt väder som gör det lättare att ställa rätt vindprognos.

När ballongen släpps tar det bara två timmar för den att nå sin maxhöjd, 40 kilometer. Vid starten från marken är ballonghöljet inte utspänt, heliumgasen finns samlad i toppen av ballongen. På sin väg upp genom luftlagren spänns den ut i takt med att det omgivande lufttrycket blir allt lägre. Den passerar luftlager där temperaturen ligger mellan minus 50 och minus 70 grader, vilket ställer hårda krav på både ballong och instrument.

Ballongen är en så kallad nolltrycksballong och i ballongens nederkant finns särskilda rör där överskottsgasen kan sippra ut, så att den inte sprängs. Uppe på maxhöjden, 38 till 40 kilometer, är luften i princip slut. Där kan inga flygplan flyga, där råder ett lufttryck på endast två millibar.

När solens strålar värmer ballongen, expanderar gasen och sipprar då ut genom ventilhålen i nederkant. När solen försvinner krymper gasen och ballongen tappar i lyftkraft. På klassiskt manér släpper då ballongen ifrån sig lite medhavd ballast för att inte tappa höjd.

− Från Esrange kan vi fjärrstyra ballongen genom att skicka kommandon via satellittelefon (Iridium). På så sätt kan vi lossa ballast, järnpulver, från specialbyggda rör i ballongkorgen. Vi kan även släppa ut gas med hjälp av sådana kommandon om vi behöver sänka lyftkraften.

Ballongens instrument drivs av solpaneler och med hjälp av fjärrstyrning kan ballongteamet även påverka mätinstrumenten som finns i gondolen. Bland annat går teleskopet som mäter den kosmiska strålningen att rikta mot intressanta mål, oavsett hur ballongen snurrar och vrider sig. Vinden är konstant västlig under sommarhalvåret, polarvirvel, vilket får den tunna luften att röra sig cirkulärt runt Nordpolen.

− Vi kommer att släppa ballongen tidigast den 27 juni och senast 15 juli, för att vara säkra på att ha stabil vind genom hela resan.

Ballongens färd följs med GPS. När tidpunkten för landning närmar sig kapas den vajer som håller nyttolasten. Det görs via en radiosignal från Esrange. Mätinstrumenten som samlat all data på de tre minnesenheterna (med 15 st SSD-diskar), seglar då till marken i en stor fallskärm (39 meter i diameter). Landningshastigheten är mellan 7-8 meter per sekund så nyttolasten tar mark ganska bryskt. Trots att materialet är stötskyddat finns en uppenbar risk för att innehållet kan gå sönder vid nedslaget.

− Det är en risk vi räknat med, instrumenten har utfört sitt uppdrag. Det viktiga är att hårddiskarna med sitt unika forskningsinnehåll kommer ner välbehållna. När nyttolasten tar mark känner speciella sensorer av när den slår i backen. Automatiskt klipps då landningsfallskärmens fäste av, så att inte vinden kan ta tag i fallskärmen och börja släpa lasten efter sig.

Landningsplatsen väljs med omsorg och personalen på Esrange har bra vindmodeller för hur det blåser i olika skeden under nedfärden. Därför går det att beräkna nedslagsplatsen med god precision. Det är inte bara nyttolasten som spåras med GPS. Både ballongen och fallskärmen är utrustade med GPS, för att det ska gå lätt att hitta dem.

− Vi har full koll på vart de tar vägen. Vår policy är att alltid samla upp det vi släpper iväg från Esrange, säger Tomas Hedqvist.

Ballong eller satellit

Att använda ballonger vid observationer av kosmos kan tyckas otidsenligt när det finns satelliter. Men i många fall har de klara fördelar gentemot satelliter. Förutom att de är tio-tjugo gånger billigare än satellitprojekt, tar de också betydligt kortare tid att färdigställa. Från idé till uppsändning tar det mellan 10-15 år innan en satellit kan skickas upp medan ett motsvarande ballongprojekt ofta tar tre till fyra år.

När satelliten väl är uppe är det omöjligt att plocka hem den utrustning som finns ombord. Satelliten skickar ner sina mätvärden till jorden, men instrumenten åldras där uppe. Inte bara av den kosmiska strålningen, utan även av den tekniska utvecklingen. Med ballonger däremot, går det lätt att plocka hem instrument och utrustning, modifiera och uppdatera och sedan skicka upp en ny ballong.

− Vårt ballongprojekt PoGOLite Pathfinder kommer förhoppningsvis hem med ett intressant grundmaterial som vi kan analysera. Faller allt väl ut finns planer på att skicka upp ytterligare en ballong, utrustad med mer förfinad teknik. Bland annat ett känsligare teleskop som kan registrera ett ännu bredare spektrum av kosmisk, polariserad strålning, säger Mark Pearce, projektledare för PoGOLite.

Färdväg

Resan som PoGOLite Pathfinder ska göra går västerut. Från starten på Esrange utanför Kiruna beger sig ballongen ut över Norge, passerar förbi Island i isländskt luftrum, går in över Grönland, vidare in över norra Kanada. Den slutgiltiga nedslagsplatsen är ännu inte bestämd. Respektive lands rymdstyrelser har givit sitt tillstånd, och trots att ballongen befinner sig på sådan höjd att den aldrig stör flygtrafiken, finns en särskild länk på Internet där flygledare kan hitta information om var ballongen befinner sig.

http://balloon.ssc.se/

Följ projektledaren Mark Pearce blogg på Rymdkanalen

Senast uppdaterad: 27 juni 2011