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空间站暗物质实验面临考验

时间:2020-03-11 19:35来源:游戏开发
空间站暗物质实验面临考验 阿尔法磁谱仪冷却泵故障引发对其寿命关注 ———潜在的暗物质发现是空间实验科学的胜利 4月3日,研究人员第一次发布了阿尔法磁谱仪的探测成果,AMS的

空间站暗物质实验面临考验 阿尔法磁谱仪冷却泵故障引发对其寿命关注

———潜在的暗物质发现是空间实验科学的胜利

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4月3日,研究人员第一次发布了阿尔法磁谱仪的探测成果,AMS的造价为20亿美元,它是一台探测宇宙射线粒子的仪器,AMS安装在一个相当于足球场大小的国际空间站的外部,磁谱仪在太空探测到被称之为正电子的反物质粒子,它们也许是暗物质粒子的相互碰撞留下的产物。理论物理学家罗伯特·加里斯托认为,从国际空间站的磁谱仪获得的探测成果具有重要的物理学意义,加里斯托没有参与AMS项目的研究,他目前担任《物理评论通讯》杂志的编辑,AMS的研究成果被收录到新一期的杂志中。

阿尔法磁谱仪 图片来源:NASA

无论AMS探测的数据揭示了什么成果,或预示了暗物质的存在、或预示了其它的粒子发射源,国际空间站都为科学实验搭建了“太空实验室”。国家空间站的造价为1000亿美元,它是一个在轨的空间实验室,站内驻扎了3到6名“全天候”宇航员,AMS的科学使命在于收集宇宙射线粒子,太空中的宇宙粒子非常丰富,由于地球大气层的影响,很大部分的射线被挡在地球大气层以外,我们在地球表面的观测活动受到大气层的干扰。

本报讯 在去年1个冷却泵失效后,国际空间站上价值20亿美元的暗物质试验的操作者们如今正在努力摸清如何确保另外3个至关重要的冷却泵能够继续工作。而这一故障引发了迄今为止关于阿尔法磁谱仪能否坚持工作直至空间站于2024年退役的最为严重的关切。AMS的使命是探测代表着湮没于深空中的暗物质的宇宙射线。AMS最初是为一项持续3年的研究项目设计的,如今已是它的第四个年头,而这台仪器未来还有9年的工作等待完成。

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华盛顿哥伦比亚特区美国宇航局总部AMS项目经理Mark Sistilli表示,关于冷却泵出现了什么样的故障以及如何修复它,“我们分析了一大堆的可能性”。而相关测试已经排除了一个可能性,即因为辐射破坏了冷却泵的电子器件。

在1年半到18个月的观测活动中,AMS记录了大约300亿个宇宙射线粒子,其中包括40万个正电子,地球观测做不到太空观测的精确性,这是AMS项目的科学价值所在。大量的正电子可能与暗物质现象有关,暗物质看不见,它是一种“隐身物质”,它在宇宙的物质构成中占到了80%,暗物质的神秘莫测与它自身的属性有关,暗物质粒子和普通物质粒子不发生、或很少发生相互作用。它们之间的引力是个例外,人们通过暗物质和普通物质的引力作用来判断暗物质的存在。

AMS如今依然在利用剩下的3个冷却泵继续搜集科学数据。这些泵是一个液态二氧化碳冷却系统的一部分,旨在为安装在空间站外部的AMS散热。在一条每90分钟环绕地球一周的轨道上,AMS会随着空间站一道频繁地进出太阳光。

根据一种主导性理论的解释,暗物质由弱相互作用的粒子组成,物理学将这种类型的暗物质粒子称之为WIMPS,大质量暗物质粒子在相互碰撞后也许能够发生湮灭作用,也许从中能够产生可以检测的信号。WIMPS粒子可能拥有粒子和反粒子“双重性”的特征,或它们有反物质的伙伴粒子。物质和反物质粒子的相撞能够产生湮灭现象,当两个正反的WINPS粒子发生碰撞时,同样可能产生暗物质粒子的湮灭现象,从中释放出电子和正电子。

在任何指定的时间段,AMS的运行只需要使用1个冷却泵。AMS的1个冷却泵于2014年2月失效,而在剩下的另外3个冷却泵中,至少有1个已经表现出了可能发生故障的迹象。

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自从8.5吨的AMS于2011年开始运行以来,它已经追踪了超过690亿条穿过其探测器的宇宙射线。它的目标便是寻找反物质与暗物质。2013年,AMS团队科学家报告说测量到正电子的数据和能量,这一发现暗示了——但没有证实——暗物质的存在。

建造阿尔法磁谱仪的主要动机之一是搜索WIMPS粒子的信号,无论磁谱仪对暗物质的检测有怎样的结果,科学家都以欢呼和欣喜的心情看待AMS的早期观测成果。NASA的航天飞机第一次搭载AMS的发射计划被取消,主要是由于哥伦比亚号航天飞机在2003年发生了空难,对灾难事故的调查和分析进行了很长时间,航天飞机新的发射计划被迫拖延,科学家用各种途径来说服NASA的官员,他们相信,增加一次航天飞机的发射计划很有必要,在他们坚持不懈的劝说下,NASA为退役的航天飞机安排了一次“最后的飞行”,2011年4月,奋进号航天飞机发射升空,它将AMS送上了国际空间站,这是航天飞机30年飞行使命中倒数第二次的飞行。

而这项试验的科学价值取决于它追踪了多少粒子,因此运行的时间越长,最终的结论便越扎实。“迄今为止我们有一些很棒的科学数据。”Sistilli说,“如果可以,我们真的想要坚持到2024年。”

———造价昂贵的磁谱仪可能发现了暗物质痕迹

AMS最初只被认为能够运行3年。它的原始设计需要一个超导磁体,从而能够更迅速地完成科学任务,但工程师们在发射前几个月将其换成了普通磁体。试验表明,超导磁体的变热超过预期,实验团队担心它会在3年任务期结束之前便消耗掉所有的氦冷却剂。

难以琢磨的暗物质不发光,人们不能用望远镜来观测它们在太空的存在,它们与普通物质相比却“大放光彩”,暗物质弥漫在整个宇宙,“光彩熠熠”的普通物质在暗物质面前显得“黯然失色”。AMS检测的正电子和粒子物理学一种预期相一致,正电子可能是暗物质粒子相撞后留下的产物,国际空间站搭载的AMS检测了过量的正电子,也许标示了暗物质和其它粒子源的存在。论文的共同作者、夏威夷大学的物理学家维拉尼卡·宾迪认为,从暗物质发出的正电子能够达到高于10吉电子伏特的能级。在这之前,科学家实施了由卫星搭载的探测器、或反物质和光特性天体物理学项目的研究,他们同样检测到了过量的正电子。

如今,冷却系统再次出现了问题。这些冷却泵与最初设计用来与超导磁体一起运行3年的冷却泵是一样的。AMS的冷却系统由荷兰阿姆斯特丹国家宇航实验室率领的一个国际团队负责制造。

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