علم پر پرواز: چگونه و چرا یخچال را در نیمه راه به فضا فرستادیم

یک سوراخ در پایین دریا وجود دارد. … حداقل ، اینگونه است که من به یاد می آورم آهنگ کودکان شروع می شود.

هر آیه از این آهنگ مورد دیگری را در سوراخ در پایین دریا قرار می دهد و به چیزی مسخره می رسد. این آهنگ منجر به چیزی مانند می شود ، “یک اشکال روی یک ماشین ، روی یک خانه ، روی یک سیاهه ، روی یک قورباغه در یک سوراخ در پایین دریا وجود دارد.”

وقتی تابستان گذشته ماجراجویی خود را در صحرای نیومکزیکو به یاد آوردم ، این آهنگ دوباره به ذهنم خطور کرد.

NIST قبلاً ابزارهایی به نام ایجاد کرده بود سنسورهای لبه انتقال (TES)، که فقط در دمای بسیار سرد کار می کنند. محققان از این سنسورها برای مطالعه هر چیزی از بقایای بیگ بنگ ، معروف به پس زمینه مایکروویو کیهانی ، گرفته تا اشعه ایکس و پرتوهای گاما که از ابرنواخترهای دوردست و سیاهچاله ها استفاده می کنند ، استفاده می کنند.

من فیزیک را در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس تحصیل می کنم. با همکاری NIST ، ما می خواستیم این سنسورها را – و یک یخچال علمی برای خنک کردن آنها – بر روی یک بالون قرار دهیم که بالاتر از بیشتر جو زمین پرواز کند. اگر بخواهم تلاش های خود را خلاصه کنم ، ممکن است آهنگ را تغییر دهم تا چیزی شبیه به این بروم:

در یک جعبه زیر یخچال در یک کرایستات روی گوندولا در زیر یک بالون در بالای آسمان ، ابررسانا وجود دارد.

در یک جعبه ابررسانا وجود دارد …

TESS ابررساناها هستند (خوب ، نه فقط یک ابررسانا ، بلکه ابررسانا یکی از مؤلفه های اصلی آن است) که به ما امکان می دهد تابش معروف به پرتوهای گاما را ببینیم و انرژی آنها را با دقت بسیار بالایی اندازه گیری کنیم. این مانند یک دوربین برش است ، اما ما از آن برای گرفتن عکس از نور استفاده می کنیم که ده ها هزار بار به همان اندازه پر انرژی است که هر روز چشمان ما می بینیم.

ما عاشق این هستیم که دوربین های تلفن همراه ما هر سال تصاویر تمیزتر و ترد را ارائه می دهند. به همین ترتیب ، اخترفیزیکدانان برای بدست آوردن تصاویر بهتر از اشعه گاما که از اشیاء آسمانی مانند سیاه چاله ها و ستارگان نوترون، که تعداد زیادی از این تابش را تولید می کنند.

دوربین اشعه گاما ما شامل بسیاری از تس است ، همه در “جعبه ردیاب” ما نگه داشته شده است.

… زیر یخچال در یک کرایستات روی گوندولا زیر یک بالون در بالای آسمان.

برای نگه داشتن تس در دمای مناسب برای کار آنها ، باید آنها را به بخشی از درجه بالاتر از صفر مطلق برسانیم ، که در حدود منهای 273 درجه سانتیگراد یا منهای 459 درجه فارنهایت – سردتر از فضای بیرونی است!

خوشبختانه ، ما یخچال و فریزرهای رقت علمی زیادی داریم (DRS) که به راحتی می توانند در آزمایشگاه به چنین درجه حرارت هایی دست یابند. با این حال ، کمتر خوشبختانه ، آنها اغلب بسیار بزرگ هستند و از عرض و ارتفاع یک اتاق آزمایشگاه معمولی استفاده می کنند. و ما فقط می توانیم اشعه ایکس یا پرتوهای گاما را در حدود 40 کیلومتری (25 مایل) به آسمان جمع کنیم زیرا هرچه به سطح زمین نزدیکتر می شویم ، فوتون ها بیشتر از جو مسدود می شوند. این تقریباً سه تا چهار برابر ارتفاع است که یک هواپیمای تجاری در آن پرواز می کند.

بنابراین ، ما می خواستیم ببینیم که آیا یک دکتر مینیاتوری می تواند در چنین ارتفاع روی یک بالون علمی پرواز کند و آیا می تواند تس را در هنگام آسمان با موفقیت خنک کند. این کاملاً چالش لجستیکی است!

ما برای حفظ دمای بسیار پایین ، جعبه ردیاب TES و مینی DR را در محفظه هوایی خود قرار دادیم. (ما این محفظه هوایی را “Cryostat” می نامیم.) Cryostat ابتدا تجهیزات را به دمای “آسان” 4 کلوین (تقریباً ، یک منهای منهای 269 درجه سانتیگراد یا منهای 452 درجه فارنهایت) برد. سپس ، Mini-DR آن را به 100 Millikelvins (کسری از 1 درجه فارنهایت بالاتر از دمای صفر مطلق) برد.

سرانجام ، ما Cryostat را روی یک قاب فلزی محکم و سفت و سخت که ما آن را “گوندولا” می نامیم بارگذاری کردیم. ما گوندولا را در زیر بالون علمی سوار کردیم.

و پس از آن ما باید واقعاً بالون را راه اندازی کنیم.

کمی عقب برگردید:

همانطور که در روز و روز به بیرون کار می کردیم ، تیم ما به یک آشیانه در پایگاه نیروی هوایی سابق می رود تا سعی کند تجهیزات این پرواز بالون علمی را جمع کند و آزمایش کند.

مسلماً ، هنگامی که من برای اولین بار دکتری خود را شروع کردم. در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس ، حتی تصور نمی کردم که هفته ها را در یک شهر کوچک در نیومکزیکو بگذرانم.

وقتی من دانشجوی سال اول فارغ التحصیل بودم ، حتی نمی دانستم کدام حوزه فیزیک را می خواهم برای مدرک خود شیرجه بزنم. اما یک روز ، هنریک کراوچینسکی ، یکی از اساتید بخش فیزیک ما ، در کلاس سمینار هفتگی ما صحبت کرد. او در مورد محاسبات و همچنین مأموریت های مختلف بالون خود صحبت کرد. قبل از این ، من فکر نمی کردم که می خواهم آزمایش کنم. فکر کردم: “بعد از همه ، ایده های رانندگی فیزیک از نظریه ها ناشی نمی شوند؟”

اما یک چیز با من گیر کرد. (او دقیقاً از این طریق آن را نگفت ، اما این غذای من است.)

ما چهار نیروی اساسی در فیزیک داریم ، از نیروی قوی و نیروی ضعیف گرفته تا نیروی الکترومغناطیسی و گرانش ، که هر قانون جسمی دیگری را توضیح می دهد. ما می توانیم سه مورد اول را با ذرات ذرات در اینجا روی زمین آزمایش کنیم. اما بهترین راه برای آزمایش شدیدترین اثرات گرانشی ، آزمایشگاه در بین ستاره ها است – مانند اطراف سیاهچاله ها و ستاره های نوترون ، برخی از متراکم ترین اشیاء جهان.

اما اگر می خواهیم با آزمایش اصول فیزیک پیرامون چنین اشیاء پیشرفت کنیم ، باید ابتدا آنها را به اندازه کافی خوب درک کنیم. ما می توانیم با گرفتن یک تصویر واضح تر ، به عنوان مثال ، از چیزهایی که در سیاه چاله یا موادی که ستاره نوترون را تشکیل می دهند ، در مورد آنها اطلاعات بیشتری کسب کنیم. و ما می توانیم با اندازه گیری دقیق پرتوهای گاما از این اشیاء با تس ، این تصویر واضح تر را بدست آوریم!

و به همین دلیل ما می خواستیم DR را با TESS تقریباً در نیمه راه به فضا بفرستیم تا از پرتوهای گاما عکس بگیریم. ما در حال تلاش هستیم تا ببینیم که این تابش چه سرنخ هایی را می تواند در مورد برخی از وحشی ترین ، مرموز ترین اشیاء موجود در جهان ما نشان دهد – و در نهایت ، آنچه که به ما در مورد قوانین اساسی فیزیک می آموزد.

اکنون قدم به حال به زمان حال بازگشت:

بعد از اینکه تجهیزات خود را در نیومکزیکو به پایان رساندیم ، منتظر فرصتی برای راه اندازی بالون خود بودیم.

هر شب که یک فرصت بالقوه راه اندازی داشتیم ، حدود ساعت 9 بعد از ظهر از خواب بیدار شدیم و آزمایش خود را آماده کردیم و منتظر ماندیم تا بشنویم که آیا تصمیم 1 AM از مرکز بالون علمی کلمبیا ناسا ما را برای راه اندازی پاک می کند. چندین بار ، آنها ما را خاموش کردند ، زیرا آنها تصمیم گرفتند که یک مأموریت بالون دیگر ابتدا انجام شود.

حتی برای مأموریت بالون اول در خط ، خیلی چیزها باید درست قبل از یک راه اندازی واقعی پیش بروند. در اینجا فقط چند مورد از عوامل وجود دارد:

• باد روی زمین و در اوج بالون عظیم باید به اندازه کافی آرام باشد.
• باران نمی تواند وجود داشته باشد.
• ناسا مجبور بود کمتر از 0.01 ٪ احتمال بالون و تجهیزات را که در هنگام پرواز به شخص برخورد می کند محاسبه کند. (نترسید ، خواننده ، شما در دستان امن هستید.)

هر بار که ناسا تلاش پرتاب ما را به نفع یک مأموریت دیگر فراخواند ، مجبور شدیم شب بعد دوباره همه آماده سازی هایمان را تکرار کنیم.

روز (یا شب) ما در آخر آمد ، و صف سرانجام همه مأموریت های دیگر را خالی کرد. هر چیزی هنوز هم می توانست اشتباه پیش برود ، و راه اندازی ما را لغو می کند. این 14 بار در یک مأموریت بالون دیگر از ما اتفاق افتاده بود. من از بدترین می ترسیدم.

اما در عوض ، هنگامی که نوبت ما رسید ، ما در اولین آزمایش شروع کردیم!

یافته های ما – و بعدی چیست؟

در طول این پرواز ، ما نشان دادیم که جعبه ردیاب ما واقعاً می تواند تابش مورد نظر را اندازه گیری کند. ما حتی در هنگام پرواز به دمای حدود 90 میلیکلوین بالاتر از صفر مطلق رسیدیم!

با این حال ، ما نتوانستیم درجه حرارت را به همان اندازه که لازم باشد ، به دست آوریم تا بتوانیم وضوح انرژی پیشرفته ای را بدست آوریم که می توانیم از قبل از TESS در زمین بدست آوریم. ما می توانیم در آزمایشگاه خود در سنت لوئیس روی این کار کار کنیم و دوباره از نیومکزیکو پرواز کنیم.

من شخصاً ، من کاملاً آموخته ام ، هم در مورد علم این آشکارسازها و هم در مورد این روند کل بالون علمی. در طی چند سال گذشته ، من قدردانی و درک بسیار عمیق تری از سمت تجربی اخترفیزیک کسب کرده ام. ما می توانیم آنچه را که می خواهیم نظریه پردازی کنیم ، اما بدون گرفتن داده های واقعی ، هرگز واقعیت را از امکانات صرف نمی دانیم.

من هم اکنون می دانم که چقدر تلاش می کند تا یک مأموریت بالون برای کار به دست بیاورد! اما من همچنین پاداش موفقیت را تجربه کرده ام ، به خصوص هنگام کار با بسیاری دیگر (از جمله همکاران محوری ما در دانشگاه نیوهمپشایر و در NIST) تا برای اولین بار کاری برای کار داشته باشم.

پایان دادن به یک انفجار!

مردم اغلب از من می پرسند: چگونه بالون پایین می آید؟ آیا می توانید کنترل کنید که در آن فرود آمده است؟

متأسفانه ، ما فقط می توانیم با ارسال آن با مواد منفجره و دمیدن آن ، یک بادکنک از آن جلد را بیرون بیاوریم قبل از این که تجهیزات علمی را که در زیر بادکنک آویزان شده است ، به زمین در زیر یک چتر نجات بیاندازیم. (این ترسناک به نظر می رسد ، اما ناسا ایمنی را در محاسبات نزول اولویت بندی می کند ، دقیقاً همانطور که قبل از راه اندازی انجام می شود.)

آهنگ را از ابتدا به خاطر می آورید؟ در این مرحله ، ممکن است آخرین بار لحن خود را تغییر دهم تا به چیزی شبیه به این بروم:

سوراخی در بادکنک وجود دارد که دارای یک گوندولا است که دارای یک کریستات است که حاوی یخچال است که جعبه ای پر از ابررسانه ها را در بالای آسمان خنک می کند –

– حداقل ، درست قبل از سقوط.