EUSO-SPB1: Una Missione sui Raggi Cosmici

Nel aprile 2017, una missione scientifica speciale chiamata EUSO-SPB1 è stata lanciata da Wanaka, Nuova Zelanda. Questa missione mirava a studiare i Raggi cosmici a ultra-alta energia (UHECR), che sono particelle estremamente energetiche che provengono dallo spazio. L'aspetto unico di questa missione era che utilizzava un grande pallone per portare un strumento in alto nel cielo, permettendo agli scienziati di osservare i raggi cosmici mentre viaggiavano attraverso l'atmosfera terrestre.

L'obiettivo era osservare i grandi sciami atmosferici (EAS), che si verificano quando questi raggi cosmici si scontrano con le molecole nell'atmosfera, creando una cascata di particelle secondarie e luce. La missione EUSO-SPB1 mirava a utilizzare una telecamera speciale che rilevava la luce ultravioletta (UV) emessa da questi sciami atmosferici da un'altitudine di circa 33 chilometri.

Lo strumento era progettato per raccogliere dati per un certo periodo di tempo, ma dopo dodici giorni, la missione ha dovuto essere interrotta a causa di una perdita di elio nel pallone. Nonostante ciò, gli scienziati sono stati in grado di raccogliere informazioni e dati preziosi durante il volo del pallone.

#La Scienza Dietro ai Raggi Cosmici

I raggi cosmici sono particelle ad alta energia che provengono dallo spazio profondo. Possono essere protoni, nuclei di elementi più pesanti o anche elettroni accelerati a velocità straordinarie. Queste particelle possono avere energie che superano ciò che possiamo creare sulla Terra. I raggi cosmici originano principalmente da fonti come esplosioni di supernova, esplosioni di raggi gamma e persino dal Sole.

Quando questi raggi cosmici si scontrano con l'atmosfera, producono quelli che chiamiamo grandi sciami atmosferici. Quando colpiscono le molecole d'aria, creano una reazione a catena, portando alla produzione di numerose particelle secondarie e lampi di luce, principalmente nello spettro ultravioletta. Gli scienziati usano strumenti specifici per rilevare questa luce, fornendo loro intuizioni sulla natura e l'origine dei raggi cosmici.

La missione EUSO-SPB1 è stata significativa perché mirava a rilevare questi fenomeni da un punto di vista unico nello spazio suborbitale, che offriva una vista più chiara degli sciami atmosferici rispetto a quello che potevano fornire gli osservatori a terra.

#Lancio e Volo

La missione EUSO-SPB1 ha coinvolto il lancio di un grande pallone superpressurizzato progettato per galleggiare a un'altitudine costante mentre si muoveva con le correnti d'aria. Il pallone era dotato di strumenti scientifici avanzati ed è stato lanciato il 24 aprile 2017. Dopo il lancio, ha iniziato il suo viaggio, galleggiando sopra l'emisfero sud.

La missione puntava inizialmente a una lunga durata in volo, potenzialmente fino a 100 giorni. Tuttavia, dopo circa dodici giorni, il pallone ha subito una perdita di elio, portando a una discesa controllata e alla terminazione nell'Oceano Pacifico. Durante il volo, gli strumenti a bordo hanno raccolto circa 60 GB di dati, catturando varie letture e segnali relativi ai raggi cosmici.

Prima del lancio, sono stati effettuati test a terra estesi per garantire la capacità dello strumento di rilevare efficacemente gli EAS. Questi test includevano l'uso di sorgenti di luce UV e laser, fornendo una base per le prestazioni previste dello strumento.

#L'Strumentazione

EUSO-SPB1 ha utilizzato uno strumento specializzato chiamato telescopio a fluorescenza. Questo telescopio era progettato per guardare verso il basso sulla Terra, catturando la luce UV dagli sciami atmosferici prodotti dai raggi cosmici. Il telescopio era dotato di lenti avanzate e una telecamera in grado di contare singole particelle di luce.

I principali componenti del telescopio includevano:

• Lenti Fresnel: Queste concentravano la luce UV in arrivo sulla telecamera, massimizzando la quantità di luce catturata.
• Modulo Fotodetettore (PDM): Questo contava le particelle di luce e le registrava per l'analisi. Era progettato per funzionare con alta tensione e aveva un fattore di guadagno che amplificava il segnale ricevuto.
• Sistema di Trigger: Lo strumento era dotato di un sistema per rilevare automaticamente segnali significativi, il che significava che quando la luce di un EAS di un raggio cosmico era presente, il telescopio registrava i dati senza richiedere intervento manuale.

Inoltre, è stata inclusa una telecamera a infrarossi per monitorare la copertura nuvolosa, poiché le nuvole possono interferire con le osservazioni degli sciami atmosferici. Il team ha condotto test di campo estesi prima del volo per calibrare lo strumento e garantire che tutto funzionasse correttamente.

#Raccolta e Analisi dei Dati

Durante la sua missione, EUSO-SPB1 ha raccolto una grande quantità di dati. I dati includevano registrazioni di luce da potenziali sciami atmosferici, così come livelli di luce di fondo provenienti da varie sorgenti. Gli scienziati monitoravano i trigger per trovare potenziali eventi EAS impostando criteri specifici per ciò che costituiva un segnale valido.

Due principali metodi di ricerca sono stati utilizzati per analizzare i dati raccolti:

1. Ispezione Visiva: I ricercatori hanno esaminato migliaia di trigger registrati per identificare eventuali segnali coerenti con gli EAS. Ogni potenziale evento è stato esaminato per controllare i modelli specifici di luce attesi dai raggi cosmici.

2. Tecniche di Apprendimento Automatico: Algoritmi sofisticati hanno analizzato i dati per differenziare tra segnali EAS genuini e rumore di fondo. Il metodo prevedeva di addestrare il sistema utilizzando eventi simulati e poi confrontare i risultati con i dati reali.

Sfortunatamente, nonostante le ricerche approfondite, non è stata trovata alcuna chiara evidenza di EAS nei dati raccolti durante il volo. Gli scienziati hanno attribuito ciò a una combinazione di fattori, inclusa la bassa intensità di UHECR e l'effetto di alte nuvole, che potrebbero aver oscurato la vista dello strumento.

#Risultati e Osservazioni Inaspettate

Nonostante la mancanza di sciami atmosferici rilevati, la missione ha prodotto alcune scoperte inaspettate. Ad esempio, il team ha notato segnali di fondo che sembravano provenire da particelle cosmiche a bassa energia, possibilmente mioni. Questi eventi sembravano tracce in movimento attraverso la telecamera, ma erano distinti per natura dai segni EAS attesi.

In un'occasione, lo strumento ha rilevato una sorgente di luce a terra mentre volava sopra la Nuova Zelanda. Questo evento fortunato ha permesso al team di verificare che i sistemi ottici e della telecamera funzionavano correttamente, fornendo ulteriori dati su come le sorgenti di luce interagivano con il telescopio.

I sistemi di monitoraggio della salute del telescopio hanno anche fornito preziose informazioni sulle sue prestazioni durante il volo. I dati dal sistema LED di salute hanno dimostrato che la telecamera è rimasta stabile durante tutta la missione, il che ha rassicurato il team sulla affidabilità del loro strumento.

#Missioni e Sviluppi Futuri

La missione EUSO-SPB1 ha aperto la porta a future missioni mirate a studiare i raggi cosmici e altri fenomeni ad alta energia dallo spazio. I piani per la prossima missione, conosciuta come EUSO-SPB2, sono già in corso. Questa missione imminente prevederà miglioramenti negli strumenti utilizzati e mira ad ampliare gli obiettivi scientifici stabiliti da EUSO-SPB1.

EUSO-SPB2 avrà due telescopi ottici, incluso un telescopio a fluorescenza aggiornato con un campo visivo più ampio. Questa missione è progettata per osservare una gamma più ampia di raggi cosmici e fornire opportunità per rilevare segnali sfuggenti da potenziali candidati di materia oscura e neutrini ad alta energia.

L'obiettivo è continuare a costruire un quadro per comprendere le fonti e i meccanismi dietro le particelle più energetiche del nostro universo. Con i progressi nella tecnologia e nelle metodologie, la missione EUSO-SPB2 è pronta a fare un passo significativo verso la risoluzione di queste complesse questioni scientifiche.

#Conclusione

La missione EUSO-SPB1 rappresenta un significativo sforzo nel campo della fisica delle astroparticelle. Anche se ha affrontato delle sfide e non ha rilevato i grandi sciami atmosferici attesi, ha dimostrato con successo le capacità delle osservazioni ad alta quota e il potenziale per future missioni in questo entusiasmante campo di ricerca.

Attraverso la collaborazione tra più istituzioni, EUSO-SPB1 ha fornito intuizioni sul funzionamento di strumenti scientifici su larga scala nello spazio suborbitale. I dati raccolti beneficeranno studi futuri e contribuiranno alla nostra crescente comprensione dei raggi cosmici e delle loro origini nell'universo.