A Carga Útil para Observações de Energia Ultrassalta (Payload for Ultrahigh Energy Observations, PUEO) é uma missão do Programa Pioneers de Astrofísica da NASA, projetada para detectar as partículas mais energéticas do universo. A missão PUEO voou bem acima da Antártica em um Balão de Longa Duração (Long Duration Balloon, LDB) e usou a camada de gelo da Antártica como um volume de detecção imenso para procurar sinais de rádio gerados pelas interações de neutrinos astrofísicos extremamente energéticos à medida que atravessavam o gelo. Além de buscar os neutrinos de maior energia, a PUEO também podia detectar sinais de rádio de raios cósmicos de alta energia produzindo chuvas na atmosfera da Terra (conhecidas como air showers), seja quando os sinais entravam diretamente no instrumento, ou quando eram refletidos pelo gelo abaixo.
A sensibilidade alcançada com o instrumento PUEO foi resultado de avanços tecnológicos e de uma otimização cuidadosa do projeto experimental para permitir sua acomodação no volume de lançamento limitado da plataforma do balão.
Os neutrinos de energia ultrassalta que a PUEO buscava carregam informações dos lugares mais extremos do universo, incluindo buracos negros supermassivos que acumulam matéria nos centros das galáxias, fusões de estrelas de nêutrons e outros aceleradores cósmicos poderosos. Como essas partículas percorrem grandes distâncias em linhas retas sem serem absorvidas, elas oferecem uma visão única do universo distante e mais energético. Os dados coletados pela PUEO não apenas revelarão a origem e a composição dos raios cósmicos de mais alta energia, como também testarão a física fundamental em energias muito além daquelas alcançáveis em aceleradores de partículas construídos por humanos na Terra.
A missão PUEO se baseou no legado da missão Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), patrocinada pela NASA, que teve quatro voos bem-sucedidos entre 2006 e 2016. Assim como a ANITA, a PUEO era composta por uma matriz de antenas de radiofrequência, um sistema de aquisição de dados a bordo acionado por sinais do tipo neutrino que processa e salva os dados, e um sistema de navegação e comando e controle. A partir de sua altitude de 120.000 pés, a PUEO monitorou um volume extremamente grande de gelo antártico, procurando sinais de interações de neutrinos de altíssima energia e muito raras.
O primeiro lançamento das missões Astrophysics Pioneers da NASA, a PUEO decolou em 20 de dezembro de 2025, da Instalação de Balões de Longa Duração da NASA perto da Estação McMurdo, na Antártica, e voou por 23 dias antes de pousar aproximadamente 120 milhas (200 km) ao sul do Polo Sul. A carga útil completa foi recuperada, incluindo os discos de dados. A equipe da PUEO está atualmente analisando os dados coletados — uma tarefa que pode levar até um ano devido à natureza complexa do trabalho.
A melhoria significativa na sensibilidade alcançada com o instrumento PUEO em comparação com a da ANITA se deveu a uma variedade de avanços tecnológicos e a uma otimização cuidadosa do projeto experimental para permitir sua acomodação no volume de lançamento restrito da plataforma do balão.
Reduzindo o limiar de detecção com acionamento interferométrico
No centro do avanço tecnológico da PUEO estava um novo tipo de acionamento chamado acionamento por matriz faseada interferométrica. O acionamento da PUEO somava coerentemente os sinais de múltiplas antenas em tempo real, permitindo que o instrumento detectasse sinais mais fracos do que era possível anteriormente. Ao reduzir o limiar do acionamento, a PUEO pôde “mergulhar” mais profundamente no ruído e encontrar sinais mais fracos de neutrinos e de raios cósmicos do que em experimentos anteriores.
Mais canais em um espaço fisicamente limitado
A área coletora de antenas da PUEO para frequências acima de 300 MHz foi dobrada em relação à ANITA, melhorando a sensibilidade à emissão de rádio a partir de interações de partículas. Para garantir que a carga útil da PUEO permanecesse dentro do volume de lançamento permitido, a equipe aumentou o corte de baixa frequência das antenas da PUEO, o que permitiu que elas fossem ainda menores do que as usadas na ANITA.
Instrumento de baixa frequência para caracterização de chuvas atmosféricas
Para melhorar a sensibilidade às chuvas atmosféricas extensas (extensive air showers) produzidas por raios cósmicos e potencialmente por neutrinos, a PUEO incorporou um novo instrumento de baixa frequência que foi implantado uma vez que a carga útil atingiu a altitude de flutuação (seria grande demais para caber no volume de lançamento permitido em sua configuração de voo). Esse novo instrumento de baixa frequência incorporou antenas sensíveis a frequências tão baixas quanto 50 MHz, estendendo a sensibilidade da PUEO para as chuvas atmosféricas.
Muitos dos avanços tecnológicos desenvolvidos para a PUEO também podem ser aplicáveis a conceitos de missão em desenvolvimento que usarão o regolito lunar como detector para raios cósmicos de energia ultrassalta e para outras possíveis missões futuras de rádio na Lua.
Liderança do projeto: Dr. Abigail Vieregg, David N. Schramm, Diretor do Kavli Institute for Cosmological Physics e professor de Física, Astronomia e Astrofísica, e do Enrico Fermi Institute, University of Chicago, com assistência de Rachel Scrandis, estudante de pós-graduação
Organização(ões) patrocinadora(s): NASA Astrophysics Division Pioneers Program