Un nuevo instrumento de la NASA utilizó la capa de hielo antártica para explorar el universo extremo

La Carga Útil para Observaciones de Ultra Alta Energía (PUEO) es una misión del Programa de Pioneros de la Astrofísica de la NASA diseñada para detectar las partículas más energéticas del universo.

La misión PUEO sobrevoló la Antártida a gran altura en un globo de larga duración (LDB) y utilizó la capa de hielo antártica como un enorme volumen de detección para buscar señales de radio generadas por las interacciones de neutrinos extremadamente energéticos al atravesar el hielo. Además de buscar los neutrinos de mayor energía, PUEO también podía detectar señales de radio de rayos cósmicos de alta energía que caían en la atmósfera terrestre (también conocidos como lluvias atmosféricas), ya sea cuando las señales entraban directamente en el instrumento o se reflejaban en el hielo. La sensibilidad alcanzada con el instrumento PUEO fue el resultado de avances tecnológicos y una cuidadosa optimización del diseño experimental para que pudiera integrarse dentro del volumen de lanzamiento de la plataforma del globo.

Detectando neutrinos ultra energéticos

Los neutrinos de ultra alta energía que buscaba PUEO transportan información de los lugares más extremos del universo, incluyendo agujeros negros supermasivos que acumulan materia en los centros de las galaxias, fusiones de estrellas de neutrones y otros potentes aceleradores cósmicos. Dado que estas partículas viajan grandes distancias en línea recta sin ser absorbidas, ofrecen una perspectiva única del universo distante y más energético. Los datos recopilados por PUEO no solo revelarán el origen y la composición de los rayos cósmicos de mayor energía, sino que también pondrán a prueba la física fundamental a energías muy superiores a las alcanzables con los aceleradores de partículas terrestres.

La misión PUEO se basó en la experiencia de la misión ANITA (Antártida Impulsiva Transitoria), patrocinada por la NASA , que realizó cuatro vuelos exitosos entre 2006 y 2016. Al igual que ANITA, PUEO constaba de una red de antenas de radiofrecuencia, un sistema de adquisición de datos a bordo que se activaba mediante señales similares a neutrinos, procesaba y guardaba los datos, y un sistema de navegación y control. Desde su altitud de 36.500 metros, PUEO monitorizó un volumen extremadamente grande de hielo antártico, buscando señales de interacciones de neutrinos de alta energía, un fenómeno muy poco frecuente.

La misión PUEO, la primera de las misiones del programa Astrophysics Pioneers de la NASA en ser lanzada, despegó el 20 de diciembre de 2025 desde las instalaciones de globos de larga duración de la NASA cerca de la estación McMurdo, en la Antártida, y voló durante 23 días antes de aterrizar a unos 200 km del Polo Sur. Se ha recuperado la carga útil completa, incluyendo las unidades de almacenamiento de datos. El equipo de PUEO está analizando actualmente los datos recopilados, una tarea que podría durar hasta un año debido a su complejidad.

La notable mejora en la sensibilidad lograda con el instrumento PUEO en comparación con la de ANITA se debió a diversos avances tecnológicos y a una cuidadosa optimización del diseño experimental para permitir su adaptación al volumen de lanzamiento limitado de la plataforma del globo.

Reducción del umbral de detección mediante activación interferométrica

La clave del avance tecnológico de PUEO residía en un nuevo tipo de disparador: un disparador de matriz de fase interferométrica. Este disparador sumaba coherentemente las señales de múltiples antenas en tiempo real, lo que permitía al instrumento detectar señales más débiles que antes. Al reducir el umbral de disparo, PUEO podía analizar con mayor profundidad el ruido y encontrar señales de neutrinos y rayos cósmicos más débiles que en experimentos anteriores.

Más canales en un espacio físicamente limitado

El área de captación de la antena PUEO para frecuencias superiores a 300 MHz se duplicó en comparación con ANITA, lo que mejoró la sensibilidad a la emisión de radio proveniente de interacciones de partículas. Para garantizar que la carga útil de PUEO se mantuviera dentro del volumen de lanzamiento permitido, el equipo aumentó el límite de corte de baja frecuencia de las antenas PUEO, lo que permitió que fueran incluso más pequeñas que las utilizadas en ANITA.

Instrumento de baja frecuencia para la caracterización de cascadas atmosféricas

Para mejorar la sensibilidad a las lluvias atmosféricas extensas producidas por rayos cósmicos y, potencialmente, neutrinos, PUEO incorporó un nuevo instrumento de baja frecuencia que se desplegaba una vez que la carga útil alcanzaba la altitud de flotación (habría sido demasiado grande para caber en el volumen de lanzamiento permitido en su configuración de vuelo). Este nuevo instrumento de baja frecuencia incorporaba antenas sensibles hasta 50 MHz, lo que amplió la sensibilidad de PUEO a las lluvias atmosféricas.

Muchos de los avances tecnológicos desarrollados para PUEO también podrían aplicarse a conceptos de misiones en desarrollo que utilizarían el regolito lunar como detector de rayos cósmicos de ultra alta energía, y a otras posibles misiones de radio futuras en la Luna.

Responsables del proyecto: Dra. Abigail Vieregg, David N. Schramm, director del Instituto Kavli de Física Cosmológica y profesor de Física, Astronomía y Astrofísica, y del Instituto Enrico Fermi de la Universidad de Chicago, con la colaboración de la estudiante de posgrado Rachel Scrandis.

Fuente: NASA