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空間站暗物質實驗儀器得到關鍵修復

來源:環球科學
(圖片來源:pixabay)
阿爾法磁譜儀(AMS)置于國際空間站(ISS)外部,在過去的8年半時間里,它一直在收集帶電的、近光速穿過太空的宇宙射線。與地球上的粒子探測器不同,AMS不依附于加速器,因為它們在真空空間,不受地球大氣影響,因此可以直接研究其附近的宇宙場。該實驗旨在解決宇宙中某些最棘手的難題,比如是什么組成了宇宙缺失的暗物質,以及為什么暗物質比反物質多。
到目前為止,AMS已經研究了超過1450億條帶電宇宙射線,發表了16篇科學論文并提出了一系列令人深思的問題。然而,該實驗的冷卻系統在2014年出現問題,這可能會導致這項科學的研究時間縮短。在11月15日開始的四次復雜太空行走和艙外活動中,美國宇航局決定更換馬上要掉落的零件。如果成功,AMS應該能夠在未來數年中繼續收集數據,并解決令人困惑的現象。
誘人的神秘現象
AMS揭示的第一個謎團與其捕捉的正電子(電子的反物質對應物)能量有關。研究發現,正電子的光譜在250億電子伏特時急劇上升,上升到300億電子伏特左右急劇下降,在1000億電子伏特左右停止?!斑@完全是不正常的,”麻省理工學院諾貝爾物理學獎得主、AMS科學團隊600名成員的負責人Samuel Ting說。
Ting說,最合理的解釋來自粒子探測器,一個由16個國家的56個機構組成的項目,發現了相對高質量暗物質粒子碰撞的副產品。然而,這種奇特的模式也可能是由于來自附近的脈沖星或其他某些現象導致。
麻省理工學院粒子物理學家特蕾西·斯拉特耶說:“正電子數量的下降很有趣,不管它是由暗物質、脈沖星還是其他什么原因造成的。如果是暗物質,你就能更準確地掌握它的質量。如果它來自其脈沖星,那么它就能告訴你一些脈沖星上的粒子如何在星系中傳播的重要信息。通過更精準地測量能量界限的最高值(雖然目前的統計數據相當有限),也許你可以排除其中一種解釋?!?/div>
另一個有趣發現是AMS對反氦粒子的探測——氦的反物質粒子,包含兩個反質子和一個反中子——AMS的研究人員還沒有公布結果?!拔覀兿氪_保我們也能看到抗碳化合物和抗氧化合物,”Ting說,“我們只有不到10個反氦信號,其速率是1個反氦到1億個氦。這就像在全美國人口中尋找三個人一樣?!?/div>
修理工作
2011年5月,奮進號航天飛機在最后一次飛向國際空間站時安裝了AMS。這個神奇的探測器價值20億美元,包括5個科學儀器,30萬個電子通道和650個快速處理器。但它并不考慮服務性能,尤其不適合戴著手套和穿著太空服顛簸的在微重力環境中行走的的宇航員。AMS冷卻系統包括四個小水泵,每個水泵都配有一個四分之一大小的葉輪,以每分鐘6000轉的速度旋轉,同時將6克二氧化碳輸送到系統中。AMS一次只使用一個泵,每個泵有三年的設計壽命,所以理論上,該系統應該持續12年。但是第一個泵的失效引起了設計者對泵的關注。NASA AMS的項目經理Mark Sistilli說:“我們開始意識到泵本身是一個糟糕的設計?!?/div>
結果發現,泵沒有得到足夠的內部潤滑,因此慢慢地把自己磨碎,并最終導致堵塞。美國國家航空航天局啟動了一項研究,以探明是否有可能讓宇航員通過太空行走替換冷卻系統?!拔覀冋娴牟幌M吹紸MS因為缺乏冷卻而失敗,”Sistilli說。美國國家航空和宇宙航行局開展了一項為期四年的計劃,希望利用曾五次為哈勃太空望遠鏡進行基礎維修的航天飛機技術和工具修復AMS。
除了新的冷卻泵系統外,工程師和技術人員還設計、制作和測試了大約25種專門工具,并將所有的工具安排在三艘不同的飛船上運往空間站。該機構還專門對國際空間站的工作人員歐洲航天局的盧卡·帕爾米塔諾和美國宇航局的安德魯·摩根進行了培訓。
上個月,當宇航員們在空間站的氣閘外第一次進行預期將共要進行四次的太空行走計劃時,AMS已經只剩下一個泵,每個月60%時間都在進行的工作循環幾乎用完了二氧化碳冷卻劑。Sistilli說:“我們知道第四個泵出問題只是時間問題?!?/div>
微妙的動作
在第一次長達6個半小時的太空之旅中,帕爾米塔諾和摩根移除了一塊碎片護罩,并將其拋入太空,以免未來對空間站造成撞擊威脅。隨后,宇航員們拆除了AMS內部支撐梁上的絕緣材料和覆蓋物,露出10根不銹鋼管,每根的寬度相當于一根蘇打吸管。在下一次太空行走時,將6根管子切割并拼接到新的泵組中,并將另外2根管子安裝在探測器的另一側。一周后,宇航員又進行了6小時的外部作業,小心翼翼地切斷了8個冷卻管,使原來的冷卻系統永久失效。在12月2日第三次外出時,他們安裝了新的管道散熱系統。
第4次也是最后一次太空行走修復AMS時間還沒有確定。在這次任務中,宇航員們將修復任何可能出現在連接管上的泄漏,這些管道還沒有加壓。他們還將在新泵箱上安裝一個隔熱帳篷,以幫助其調節溫度。
冷卻系統對AMS的核心運作至關重要——它由9層硅追蹤器構成,用來測量粒子的運動軌跡和電荷。AMS強大的磁場彎曲了粒子的路徑,根據粒子正負電荷的不同屬性,粒子的運動方向也不同。測量一個粒子在磁場中的曲率也可以用來計算動量??茖W家們正在慢慢地將AMS的能量和動量測量方法組合成一種點理論——也可能是一種新的宇宙觀。
第四次太空行走之后,美國宇航局才能得知AMS是否可以重新投入使用。休斯頓NASA約翰遜航天中心AMS項目經理Ken Bollweg說:“我們實際上是做了一次心臟移植。我們的目標是讓它至少再持續運轉11年,或與空間站在軌道上的時間一樣長?!?/div>
盡管情況復雜,但NASA從未懷疑是否值得花時間和精力修復AMS?!斑@就是空間站的目的:以在任何地方都做不到的規模來進行任何地方都做不到的科學研究,”國際空間站主任塞繆爾·西米米說?!岸〔┦康目茖W在短期內是否有任何實際作用我不知道。但如果這項研究能夠在一個以前沒有人做過任何研究的領域為我們人類的未來生存增加一些東西,那就足夠有價值了?!?/div>
作者:Irene Klotz,《航空周刊與空間技術》有關宇宙空間方面的編輯。
翻譯:殷姝雅 
審校:潘燕婷
引進來源:科學美國人
引進鏈接:https://www.scientificamerican.com/article/space-station-dark-matter-experiment-gets-vital-repairs/
本文來自:環球科學
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[責任編輯:環球科學]
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