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空间站暗物质实验仪器得到关键修复

来源:环球科学
(图片来源:pixabay)
阿尔法磁谱仪(AMS)置于国际空间站(ISS)外部,在过去的8年半时间里,它一直在收集带电的、近光速穿过太空的宇宙射线。与地球上的粒子探测器不同,AMS不依附于加速器,因为它们在真空空间,不受地球大气影响,因此可以直接研究其附近的宇宙场。该实验旨在解决宇宙中某些最棘手的难题,比如是什么组成了宇宙缺失的暗物质,以及为什么暗物质比反物质多。
到目前为止,AMS已经研究了超过1450亿条带电宇宙射线,发表了16篇科学论文并提出了一系列令人深思的问题。然而,该实验的冷却系统在2014年出现问题,这可能会导致这项科学的研究时间缩短。在11月15日开始的四次复杂太空行走和舱外活动中,美国宇航局决定更换马上要掉落的零件。如果成功,AMS应该能够在未来数年中继续收集数据,并解决令人困惑的现象。
诱人的神秘现象
AMS揭示的第一个谜团与其捕捉的正电子(电子的反物质对应物)能量有关。研究发现,正电子的光谱在250亿电子伏特时急剧上升,上升到300亿电子伏特左右急剧下降,在1000亿电子伏特左右停止。“这完全是不正常的,”麻省理工学院诺贝尔物理学奖得主、AMS科学团队600名成员的负责人Samuel Ting说。
Ting说,最合理的解释来自粒子探测器,一个由16个国家的56个机构组成的项目,发现了相对高质量暗物质粒子碰撞的副产品。然而,这种奇特的模式也可能是由于来自附近的脉冲星或其他某些现象导致。
麻省理工学院粒子物理学家特蕾西·斯拉特耶说:“正电子数量的下降很有趣,不管它是由暗物质、脉冲星还是其他什么原因造成的。如果是暗物质,你就能更准确地掌握它的质量。如果它来自其脉冲星,那么它就能告诉你一些脉冲星上的粒子如何在星系中传播的重要信息。通过更精准地测量能量界限的最高值(虽然目前的统计数据相当有限),也许你可以排除其中一种解释。”
另一个有趣发现是AMS对反氦粒子的探测——氦的反物质粒子,包含两个反质子和一个反中子——AMS的研究人员还没有公布结果。“我们想确保我们也能看到抗碳化合物和抗氧化合物,”Ting说,“我们只有不到10个反氦信号,其速率是1个反氦到1亿个氦。这就像在全美国人口中寻找三个人一样。”
修理工作
2011年5月,奋进号航天飞机在最后一次飞向国际空间站时安装了AMS。这个神奇的探测器价值20亿美元,包括5个科学仪器,30万个电子通道和650个快速处理器。但它并不考虑服务性能,尤其不适合戴着手套和穿着太空服颠簸的在微重力环境中行走的的宇航员。AMS冷却系统包括四个小水泵,每个水泵都配有一个四分之一大小的叶轮,以每分钟6000转的速度旋转,同时将6克二氧化碳输送到系统中。AMS一次只使用一个泵,每个泵有三年的设计寿命,所以理论上,该系统应该持续12年。但是第一个泵的失效引起了设计者对泵的关注。NASA AMS的项目经理Mark Sistilli说:“我们开始意识到泵本身是一个糟糕的设计。”
结果发现,泵没有得到足够的内部润滑,因此慢慢地把自己磨碎,并最终导致堵塞。美国国家航空航天局启动了一项研究,以探明是否有可能让宇航员通过太空行走替换冷却系统。“我们真的不希望看到AMS因为缺乏冷却而失败,”Sistilli说。美国国家航空和宇宙航行局开展了一项为期四年的计划,希望利用曾五次为哈勃太空望远镜进行基础维修的航天飞机技术和工具修复AMS。
除了新的冷却泵系统外,工程师和技术人员还设计、制作和测试了大约25种专门工具,并将所有的工具安排在三艘不同的飞船上运往空间站。该机构还专门对国际空间站的工作人员欧洲航天局的卢卡·帕尔米塔诺和美国宇航局的安德鲁·摩根进行了培训。
上个月,当宇航员们在空间站的气闸外第一次进行预期将共要进行四次的太空行走计划时,AMS已经只剩下一个泵,每个月60%时间都在进行的工作循环几乎用完了二氧化碳冷却剂。Sistilli说:“我们知道第四个泵出问题只是时间问题。”
微妙的动作
在第一次长达6个半小时的太空之旅中,帕尔米塔诺和摩根移除了一块碎片护罩,并将其抛入太空,以免未来对空间站造成撞击威胁。随后,宇航员们拆除了AMS内部支撑梁上的绝缘材料和覆盖物,露出10根不锈钢管,每根的宽度相当于一根苏打吸管。在下一次太空行走时,将6根管子切割并拼接到新的泵组中,并将另外2根管子安装在探测器的另一侧。一周后,宇航员又进行了6小时的外部作业,小心翼翼地切断了8个冷却管,使原来的冷却系统永久失效。在12月2日第三次外出时,他们安装了新的管道散热系统。
第4次也是最后一次太空行走修复AMS时间还没有确定。在这次任务中,宇航员们将修复任何可能出现在连接管上的泄漏,这些管道还没有加压。他们还将在新泵箱上安装一个隔热帐篷,以帮助其调节温度。
冷却系统对AMS的核心运作至关重要——它由9层硅追踪器构成,用来测量粒子的运动轨迹和电荷。AMS强大的磁场弯曲了粒子的路径,根据粒子正负电荷的不同属性,粒子的运动方向也不同。测量一个粒子在磁场中的曲率也可以用来计算动量。科学家们正在慢慢地将AMS的能量和动量测量方法组合成一种点理论——也可能是一种新的宇宙观。
第四次太空行走之后,美国宇航局才能得知AMS是否可以重新投入使用。休斯顿NASA约翰逊航天中心AMS项目经理Ken Bollweg说:“我们实际上是做了一次心脏移植。我们的目标是让它至少再持续运转11年,或与空间站在轨道上的时间一样长。”
尽管情况复杂,但NASA从未怀疑是否值得花时间和精力修复AMS。“这就是空间站的目的:以在任何地方都做不到的规模来进行任何地方都做不到的科学研究,”国际空间站主任塞缪尔·西米米说。“丁博士的科学在短期内是否有任何实际作用我不知道。但如果这项研究能够在一个以前没有人做过任何研究的领域为我们人类的未来生存增加一些东西,那就足够有价值了。”
作者:Irene Klotz,《航空周刊与空间技术》有关宇宙空间方面的编辑。
翻译:殷姝雅 
审校:潘燕婷
引进来源:科学美国人
引进链接:https://www.scientificamerican.com/article/space-station-dark-matter-experiment-gets-vital-repairs/
本文来自:环球科学
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