Satellit och rymdballong öppnar fönster mot universum

FORSKNING PÅ DJUPET

Publicerad 2012-03-05

Partikeldetektorn PAMELA och rymdteleskopet PoGOLite är två KTH-projekt som jagar antimateria respektive röntgenstrålning i universum.
– Det mest spännande med grundforskning i rymden är att vi lär oss mer om vårt universum, och vem vet hur våra nya rön kan komma att påverka samhället framöver, säger Mark Pearce, KTH-professor i astropartikelfysik och medverkande konstruktör till båda projekten.

Krabbpulsarens röntgenstrålning analyseras och polarisationen mäts av KTH-teleskopet PoGOLite.

Att jorden är omgiven av subatomära partiklar i så kallade strålningsbälten har varit känt 1950-talet, då mätningar gjordes av de första amerikanska Explorer-satelliterna. Men 2011 upptäckte forskare, bland annat genom KTH-forskning, att jorden också är omgiven av antimateria i form av antiprotoner.

– Kosmiska strålningsprotoner kan fastna i banor runt jorden på grund av planetens magnetfält. Det har länge spekulerats i att även antiprotoner skulle kunna fastna, och i dag vet vi tack vare rymdexperimentet PAMELA att de faktiskt fångas in i jordens strålningsbälten, säger astrofysiker Mark Pearce.

Satellitprojektet PAMELA

PAMELA, som står för Payload for Antimatter Matter Exploration and Light nuclei Astrophysics, är en avancerad partikeldetektor som monterades fast på en rysk satellit i juni 2006 och har kretsat runt jorden sedan dess.
 

– Många tror att antimateria är science fiction, men det är numera science facts, säger Mark Pearce.

NASA har exempelvis sett över möjligheterna att kunna använda infångade antiprotoner till en ny energikälla för rymdfarkoster.

All vanlig materia som är uppbyggd av protoner, neutroner och elektroner, som planeter, stjärnor och galaxer, utgör bara ynka fem procent av universum. Resten är så kallad mörk materia (25 procent) och mörk energi (70 procent), alltså fenomen som människan ännu inte förstår sig på.

Antimateria, som PAMELA söker och använder för att öka vår kunskap om den mystiska mörka materian, är en form av vanlig materia, fast den har rakt motsatt elektrisk laddning.

PAMELAs specialitet är att identifiera den lilla mängd antimateria som förekommer i kosmisk strålning. Kosmisk strålning uppstår när subatomära partiklar laddas med energi från supernovor eller solaktivitet, och ger upphov till norrsken. Antimateria kan också skapas när partiklar av mörk materia kolliderar i vår galax.

– Vi har publicerat flera intressanta resultat gällande antimateria tack vare PAMELA, berättar Mark Pearce.

Mark Pearce, här framför PoGOLite-teleskopet, har designat och utvecklat de satellit- och ballongburna forskningsexpeditionerna, och analyserat dataresultaten astrofysiskt.

PAMELA är sannolikt inne på sitt sista år som forskningsprojekt, och nu fortsätter KTH:s forskning genom rymdballongprojektet PoGOLite – ett av Sveriges största pågående rymdprojekt.

Ballongprojektet PoGOLite

PoGOLite, som står för Polarised Gamma-ray Observer, är ett rymdteleskop som bärs ut i atmosfären av en gigantisk heliumballong, i storleksordningen två gånger Globen.

Under sommaren 2012 är det dags för PoGOLites nästa rymdfärd.

– Tidigare har studier gjorts av röntgenstrålning från Krabbpulsaren men det nya är att vi mäter polarisationen av röntgenstrålarna. Visionen är att vi ska kunna få fram en modell för hur röntgenfotoner är skapta, säger Mark Pearce.

Det första försöket att få upp PoGOLite i rymden gjordes sommaren 2011. Ballongen lyfte från rymdbasen Esrange nära Kiruna och kom upp på 35 kilometers höjd innan den havererade. För att kunna samla in betydande vetenskapliga fakta krävs en höjd på 39 kilometer.

– Vi hade otur med vindriktningen och vindhastigheten vid starten. Teleskopet måste upp på nära 40 000 meters höjd eftersom rymdens röntgenstrålning ska studeras, och röntgenstrålning absorberas av jordatmosfären. Vi måste utanför atmosfären för att få resultat, säger Mark Pearce.

PoGOLite-expeditionens mål är att rikta in teleskopet mot Krabbpulsaren, som ligger mitt i Krabbnebulosan, för att sedan fånga in röntgenstrålar – cirka 6 500 ljusår från jorden.

– En pulsar är en extrem miljö som bildas när en stor stjärna exploderar sedan den har slocknat.

Stjärnan roterar och snurrar dessutom väldigt snabbt, och PoGOLite-teleskopets uppgift är att mäta polarisationen hos Krabbpulsarens röntgenstrålning.

Mark Pearce beskriver Krabbpulsaren som ett extremt laboratorium med fysiska förhållanden som aldrig kan uppnås på jorden, bland annat i form av en oerhört stark gravitation och magnetism.

Teleskopet PoGOLite pendlar hundratals meter under plastballongen på en stålvajer. Genom sensorer som GPS, magnetometrar och gyroskop kan forskarna styra teleskopets position och stabilitet från jorden via motorer.

Teleskopet navigeras efter stjärnorna: mätutrustningen zoomar in på stjärnkonstellationer för att se exakt vart i rymden teleskopet befinner sig.

Rymdballongen är billig och återlämnar mätutrustningen

Före uppstigning, innan PoGOLite-ballongen har börjat fyllas med heliumgas, är den nära 300 meter lång. Ballongplasten är tunn som en fryspåse, bara 20 miljarddelar av en meter, och ändå väger den samlade plasten 2 ton. 

PoGOLite lyfter från Esrange sommaren 2011. Foto: SSC

När ballongen släppts iväg fortsätter den att blåsas upp allt eftersom lufttrycket avtar ju högre upp den kommer i atmosfären. Teleskopet är tungt, men ballongen orkar lyfta det upp till högsta punkten i atmosfären på bara ett par timmar.

Eftersom påsen lätt går sönder kan den inte packas ner igen utan måste kasseras om den inte lyfter, men den stora fördelen är att plasten är billig men stark, och ett ballongprojekt kostar bara en bråkdel av ett satellitprojekt.

– Ytterligare en fördel med ballongtekniken är att vi får tillbaka mätutrustningen via fallskärm, så vi kan förfina tekniken och läsa av alla resultat tills det är dags för nästa rymdfärd. I ett satellitprojekt brinner ju all utrustning till slut upp i atmosfären, säger Mark Pearce.

PoGOLite-teleskopet som efter det första uppstigningsförsöket föll ner nära Kiruna är nu helt reparerat och kompletterat, och ska användas igen.

– Vi hoppas kunna öppna fler fönster mot universum genom PoGOLite. Kanske finner vi en ny fysisk detalj som en dag i framtiden kan ha stor inverkan på vårt liv på jorden.

Småskaliga rymdprojekt, storskaliga resultat

I världen utförs en handfull liknande rymdforskningsexpeditioner årligen med liknande plastballonger, som forskare skickar upp från Sydpolen eller Texas. PoGOLite-projektet sysselsätter ett tiotal personer från KTH, en grupp med bland annat masterstudenter.

– Härnäst hoppas vi på att få vara med och skapa en helsvensk liten satellit som ska ligga i frontlinjen för astrofysik, berättar Mark Pearce.

Rymdstyrelsen vill ta fram en minisatellit som bara ska väga 25 kilo och inte kosta mer än 40 miljoner kronor att framställa. Tekniken för PoGOLite-teleskopet ligger till grund för KTH:s förslag till satellit i miniatyr.

För mer information kontakta Mark Pearce på 08-55 37 81 83, eller pearce@particle.kth.se.

Katarina Ahlfort

Läs mer om PAMELA

  Läs mer om PoGOLite

  Läs mer om KTH:s forskargrupp vid Oskar Klein Centre