Využití balónů k výzkumu vesmíru

S rozvojem technologií výroby balónů se zvětšuje dosažená výška a prodlužuje se i doba nepřetržitého letu v atmosféře. Současné balóny mohou operovat ve výškách téměř 50 km, což podstatně převyšuje letovou hladinu létajících astronomických observatoří Kuiper Airborne Observatory (KAO) a Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), které absolvují několikahodinové lety ve výškách 12 až 15 km. Rovněž doba pozorování je v poslední době podstatně delší. Několikrát však došlo k prasknutí balónů a ke zničení drahých dalekohledů.

Dalekohledy vynášené pomocí balónů

V dosavadní historii využívání balónů v oblasti výzkumu vesmíru jako nosných prostředků různých dalekohledů či detektorů bylo realizováno několik významnějších výzkumných letů:

Stratoscope I (1957-1959)

Dalekohled o průměru 30,5 cm byl vynášen balónem z polyethylenu. Při prvním použití balónu k výzkumu vesmíru byly pořízeny fotografické snímky Slunce ukazující charakter granulace ve sluneční fotosféře. V roce 1959 bylo pozorování zdokonaleno, k přenosu obrazu byl použit televizní vysílač.

Stratoscope II (1963-1971)

Gondola o hmotnosti 3,5 tuny nesla dalekohled o průměru 91,4 cm, který byl určen ke studiu atmosfér planet, atmosfér hvězd (tzv. rudých obrů) a k výzkumu galaxií. První start se uskutečnil 1. 3. 1963. Bylo při něm získáno mj. infračervené spektrum planety Mars. Při startu 27. 3. 1970 byly například pořízeny snímky Jupiterova měsíce Io, který je znám svojí vulkanickou aktivitou. 

HIREGS (1991-1998)

(High Resolution Gamma-Ray and Hard X-Ray Spectrometer) – spektrometr s vysokým rozlišením k výzkumu gama záření a tvrdého rentgenového záření ze slunečních erupcí a galaktických zdrojů. Byly použity germaniové detektory chlazené kapalným dusíkem.

První dva lety (10. 1. 1992 a 31. 12. 1992) byly zaměřeny na výzkum Slunce. Balóny plněné héliem byly vypuštěny ze základny McMurdo Station v Antarktidě. Byly unášeny větrem po dobu 14, respektive 10 dnů ve výšce přibližně 39 km. Při startu 9. 1. 1995 byla studována oblast jádra naší Galaxie a několik dalších zdrojů záření. Let balónu trval 23 dny.

BOOMERanG (1997-2003)

Dalekohled pro oblast mikrovlnného záření s kryogenními detektory byl nesen balónem při dlouhodobém letu nad Antarktidou. Byl použit k vytvoření mapy záření kosmického pozadí v oboru mikrovln (cosmic microwave background radiation, CMBR).

Experiment s názvem BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation ANd Geophysics) sloužil k přesnému měření teploty tzv. reliktního záření. Použitím dalekohledu, který byl vynesen pomocí balónu do výšky kolem 42 km, bylo možné zredukovat atmosférickou absorpci mikrovlnného záření na minimum. Bylo však možné studovat pouze malou část oblohy.

První zkušební let se uskutečnil v roce 1997 nad územím Severní Ameriky. Následující dva starty (1998 a 2003) se uskutečnily ze základny McMurdo Station v Antarktidě. Balón byl unášen prouděním větru kolem jižního pólu a dalekohled přistál na zemském povrchu dva týdny po startu.

MAXIMA (1998-1999)

Kryogenní mikrovlnný dalekohled. Experiment s názvem Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array představoval dva lety balónu (srpen 1998, červen 1999). Balóny byly vypuštěny ze základny Columbia Scientific Balloon Facility v Texasu a po dobu 8 hodin se nacházely ve výšce 40 km. V prvním případě byla studována malá část oblohy v souhvězdí Draka, ve druhém případě v souhvězdí Velké medvědice.

Na rozdíl od experimentu BOOMERanG byla při projektu MAXIMA získána data z menší části oblohy, avšak mnohem detailnější.

HERO (2001-2010)

Dalekohled pro oblast tvrdého rentgenového záření byl úspěšně používán až do roku 2010, kdy 28. dubna došlo ke zničení dalekohledu v oblasti Alice Springs, Austrálie. Jednalo se o rentgenový dalekohled Nuclear Compton Telescope (NCT), který postavila University of California, Berkeley. V gondole jej nesl balón o průměru 121 m.

HERO (High-Energy Replicated Optics) – organizací zodpovědnou za tento projekt je NASA Marshall Space Flight Center. V průběhu prvního zkušebního letu, který se uskutečnil 23. 5. 2001, byla pozorována Krabí mlhovina, zdroje rentgenového záření Cyg X-1 a GRS 1915+105. 

BLAST (2003+)

Submilimetrový dalekohled o průměru 1,8 m. Byl zničen při třetím startu; byl však opraven a připraven ke čtvrtému startu v roce 2010. 

BLAST (Balloon-borne Large-Aperture Submillimeter Telescope) – toto zařízení bylo připraveno pro lety v gondole balónu Long Duration Balloon (LDB). Uskutečnily se celkem čtyři lety. Jednotlivé starty balónu: 28. 9. 2003 (přistání o 26 hodin později, New Mexico); 12. 6. 2005 (start ze základny Esrange, přistání o 4 dny později na severozápadě Kanady); 21. 12. 2006 (start: McMurdo Station, tvrdé přistání 2. 1. 2007 asi 750 km od místa startu); 27. 12. 2010 (McMurdo Station).

Zatím poslední (pátý) start zařízení BLAST se uskutečnil 25. 12. 2012 pomocí balónu LDB ze základny McMurdo v Antarktidě. Detektory dalekohledu jsou chlazeny kapalným héliem na pouhé 0,3 stupně nad absolutní nulou. Při vyšší teplotě by detektory nebyly schopny registrovat slabé submilimetrové záření mezihvězdných oblaků studeného prachu o teplotě kolem 30 stupňů nad absolutní nulou. Výzkum byl zaměřen na studium oblastí vzniku hvězd v souhvězdí Plachet a Vlka. Balón driftoval nad Antarktidou ve výšce 36 km, unášen vzdušnými proudy. Předpokládaná doba letu balónu je 12 až 14 dnů. Experiment měl označení BLAST-Pol – (Balloon-Borne Large Aperture Submillimeter Telescope-Polarization).

Mezitím astronomové obdrželi od NASA grant na vývoj větší verze aparatury BLAST. Dalekohled bude vybaven objektivem o průměru 2,5 m. Start by se mohl uskutečnit kolem roku 2016 pod názvem SuperBLAST.

InFOCμS (2004+)

Nová generace rentgenového dalekohledu pro oblast tvrdého rentgenového záření se sběrnou plochou 49 cm² vynášeného pomocí balónu. Po několika úspěšných výzkumných misích byl renovován pro používání od roku 2010 při startech z území Austrálie (Alice Springs). Úkolem prvního startu bylo například zjištění, zda Sgr A* je opravdu zdrojem tvrdého rentgenového záření, jak to vyplývá z měření družic Swift a INTEGRAL. Název projektu InFOCμS je zkratkou názvu International Focusing Optics Collaboration for μCrab Sensitivity.

BESS (1993-2002)

(Baloon-borne Experiment with Superconducting Spectrometer). Projekt byl zaměřen na pátrání po antihmotě. Původní verze s názvem BESS pro lety zhruba v délce jednoho dne byla vypouštěna jednou za rok. Přístroj detekoval milióny částic kosmického záření a několik tisíc antiprotonů o nízké energii. Novější varianta BESS-Polar umožňovala podstatně delší lety – viz dále článek: Atmosférický balón pátrá po antihmotě.

LEE a AESOP (1997-2009)

LEE (Low Energy Electrons) a AESOP (Anti-Electron Sub-Orbital Payload) – oba experimenty byly realizovány společně vždy při startu pomocí jednoho balónu. Starty se uskutečnily v letech 1997, 1998, 1999, 2000 a 2002. Poslední start aparatury LEE (Low Energy Electrons) se uskutečnil 17. 5. 2009 ze základny European Space Range (ESRANGE), Kiruna, Švédsko. Maximální dosažená výška byla 43,5 km, trvání letu 4 dny a 11 hodin.

TIGER (1997-2004)

(Trans-Iron Galactic Element Recorder) je zařízení určené k detekci elementárních částic kosmického záření těžších než železo. První start se uskutečnil v roce 1997 ze základny Fort Summer, New Mexico, USA a trval přibližně 24 hodiny. 

Další dva výzkumné lety balónů  s aparaturou TIGER byly realizovány na přelomu let 2001/2002 a 2003/2004. Lety se uskutečnily na Antarktidou (základna McMurdo). Let balónu, který byl vypuštěn v prosinci 2001, trval téměř 32 dny, balón se vznášel ve výšce 33 km a přistál 21. ledna 2002. O dva roky později (16. 12. 2003) se uskutečnil další start, let balónu trval 18 dnů v průměrné výšce 39 km.

HEFT (2005)

Dalekohled pro oblast tvrdého rentgenového záření (20 až 100 keV). Start se uskutečnil v květnu 2005 ze základny Fort Sumner, New Mexico, USA. Pozorování byla zaměřena na oblast Krabí mlhoviny v souhvězdí Býka. Pojmenování dalekohledu (experimentu) je zkratkou anglického názvu High Energy Focusing Telescope. Druhý start byl plánován na rok 2008(?).

SUNRISE (2009+)

Ultrafialový dalekohled o průměru 1 metr pro pozorování Slunce se stabilizací obrazu a systémem adaptivní optiky; hmotnost přibližně 2 tuny.

První výzkumný let byl zaměřen na pozorování struktury, dynamiky a vývoje sluneční konvekce, oscilací a magnetických polí s rozlišením 100 km při klidném Slunci. Výzkumný let probíhal ve dnech 8. až 14. 6. 2009, tj. 6 dnů, ve výšce 34 až 37 km. Vypuštění balónu o průměru 130 m se uskutečnilo ze základny Esrange Space Center, Kiruna, Švédsko, přistání na severu Kanady.

Změny slunečního záření jsou zřetelné  především v oblasti ultrafialového záření. Toto záření však není schopno dosáhnout zemského povrchu, neboť je pohlcováno vrstvou ozónu, čímž dochází k zahřívání okolní atmosféry. V rámci experimentu SUNRISE byl poprvé uskutečněn výzkum jasných magnetických struktur na povrchu Slunce v oboru vlnových délek 200 až 400 nanometrů.

Druhý start (SUNRISE II je naplánován na rok 2013, na období maxima dalšího slunečního cyklu (které zatím nenastalo).

CREST (25. 12. 2011)

(Cosmic Ray Electron Synchrotron Telescope) – za experiment zodpovídal Dr. James Musser, Indiana University. Doba letu balónu byla 10 dnů.

STO (14. 1. 2012)

(Stratospheric TeraHertz Observatory) – za experiment zodpovídal Dr. Chris Walker, University of Arizona. Doba letu balónu byla 13 dnů.

Super-TIGER (8. 12. 2012)

(super-Trans Iron Galactic Element Recorder) – na projektu spolupracují Washington University in St. Louis, California Institute of Technology, NASA's Goddard Space Flight Center, University of Minnesota a NASA's Jet Propulsion Laboratory, Washington University. Start se uskutečnil ze základny McMurdo Station v Antarktidě. Let probíhal ve výšce 39 km. Předpokládaná doba letu byla 42 dny. Experiment je 4krát větší verzí projektu TIGER. Za experiment zodpovídá Dr. Walter Binns, Washington University. Cílem letu byl výzkum kosmického záření.

Celková doba letu nakonec byla 55 dnů 1 hodina 34 minuty. Byl tak vytvořen nový rekord v letu balónu této kategorie. Získané množství dat budou vědci zpracovávat zhruba dva roky.

EBEX (prosinec 2012)

(E&B Experiment) – jeho úkolem je měřit hodnoty mikrovlnného záření vesmíru, které má svůj původ v době krátce po velkém třesku. Za experiment zodpovídá Dr. Shaul Hanany, University of Minnesota.

BLAST-Pol (prosinec 2012)

(Balloon-Borne Large Aperture Submillimeter Telescope-Polarization) – výzkum magnetických polí ve vesmíru a zjišťování, jakým způsobem ovlivňují vznik hvězd, a to na základě měření polarizace prachu v galaxiích s probíhající tvorbou hvězd. Za experiment zodpovídá Dr. Mark Devlin, University of Pennsylvania.

HEROES (2013+)

High Energy Replicated Optics to Explore the Sun – rentgenový dalekohled k výzkumu slunečních erupcí; v noci bude studovat hvězdy a další zdroje rentgenového záření (bude se tak jednat o dvě mise v jednom). Projekt byl navržen pracovníky Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama a Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland (NASA). Se startem se počítá v závěru roku 2013, let balónu bude probíhat ve výšce 40 km.

Projekt HEROES je zdokonalenou variantou výzkumného programu HERO (High-Energy Replicated Optics), který byl realizován v letech 2001 až 2010. Poskytne velmi citlivá pozorování Slunce v oblasti tvrdého rentgenového záření. Stejná technologie bude v budoucnu využívána na připravovaných rentgenových družicích.

BARREL (2013+)

Mise nazvaná BARREL (Balloon Array for Radiation belt Relativistic Electron Losses) byla realizována ve spolupráci NASA a Dartmouth College, Hannover. Cílem bylo během dlouhodobého letu balónu kolem oblasti jižního pólu provádět výzkum částic unikajících z radiačních pásů Země.

V rámci projektu BARREL bude vypuštěno 20 balónů s přístroji, získaná data pak budou vědci zpracovávat. Pro příští rok se počítá s vypuštěním dalších 20 balónů.

Balóny by měly dosáhnout výšky 30 až 35 km, každý balón ponese vědecké vybavení o hmotnosti kolem 20 kg. Najednou bude vypuštěno vždy několik balónů k letu v délce 5 až 10 dnů.

Odkazy k projektu BARREL:

http://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/news/barrel-antarctica.html

http://phys.org/news/2013-05-nasa-barrel-mission-balloons.html

http://www.nasa.gov/content/goddard/nasa-funded-science-balloons-launch-in-antarctica/index.html

Další informace o využití balónů v astronomii (v angličtině) najdete například na těchto odkazech:

http://www.brighthub.com/science/space/articles/55469.aspx

http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=103063

http://stratocat.com.ar/indexe.html

Základna pro vypouštění balónů European Space Range (ESRANGE), Kiruna, Švédsko – podrobnější informace o realizovaných experimentech jsou na stránkách http://stratocat.com.ar/bases/37e.htm

Základna pro vypouštění balónů McMurdo Station v Antarktidě – podrobnější informace najdete na 

http://stratocat.com.ar/bases/41e.htm

http://spaceref.com/astronomy/the-legacy-of-nasas-balloon-missions.html

Vložit nový příspěvek