【科学松鼠会·天文类】阿尔法磁谱仪“最后的战役”

Shea 发表于 2010-01-11 0:06
美国宇航局的航天飞机计划正在进入尾声。在仅存的最后大约6次飞行中，航天飞机将会和国际空间站对接，为其空前的12年建设画上一个句号。但也许还少了一样东西……
2008年美国国会为临近退役的航天飞机又增加了一次额外的飞行。这次飞行的目的是为了把一个用于搜寻反物质星系的仪器送上国际空间站，它就是阿尔法磁谱仪（AMS）。
1994年时任美国宇航局局长的戈尔丁正在为国际空间站寻找一些“出味”的科学想法。有人告诉他，诺贝尔奖得主丁肇中有意在太空中放一块磁铁来探测来自其他星球的反物质。听到这个消息后，戈尔丁说：“好，这个人在哪儿？我要立刻见他。”到1995年，丁肇中和戈尔丁达成了协议，美国宇航局负责用航天飞机把AMS送上国际空间站，但并不为它的建造出资。于是，丁肇中把目光转向了美国能源部和其他国家的机构。
1998年6月2日AMS的原型机AMS-01搭乘“发现”号航天飞机发射升空，开始了为期十天的太空之旅。实验在失重情况下进行，搜集了穿过其面包圈形磁铁的粒子的数据。除了这一科学目标之外，这次飞行还使得地面控制中心演练并且熟悉了操作命令和数据界面、测量了实验的背景值并且验证了AMS的热模型，为下一次飞行打下了基础。

                               
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[图片说明]：AMS-02。版权：MIT。
但自从航天飞机在2003年“哥伦比亚”号失事后复飞以来，几乎所有的飞行任务都是为了完成国际空间站的建设，因为整个机群按照计划要在2010年退役。2005年专门用来运送AMS的航天飞机飞行被取消。
不过丁肇中本身的巨大影响力以及他长期以来一直领导着庞大的粒子物理合作团队使得AMS绝处逢生。意大利外交部长专门为此和当时的美国国务卿赖斯打了招呼。而在美国总统大选中甚至也打起了AMS牌。额外的一次航天飞机飞行给了美国佛罗里达州选民新的希望，因为航天飞机停飞就意味着许多人要为此失业。因此2008年的两个总统候选人都为此做出了承诺。随后美国国会也批准了这次飞行。
现在笼罩在AMS上的阴霾似乎都消失了，新的AMS-02将在日内瓦完成最终的组装，并且预计会在2009年底运抵位于美国佛罗里达的肯尼迪航天中心。据美国宇航局的AMS-02网站公布，其发射时间目前暂定为2010年7月29日。
丁肇中和AMS的诞生
1976年丁肇中因为通过仔细地实验证明了当时已知的3种夸克还不够需要第4种而获得了诺贝尔奖，诺贝尔奖委员会则把他的工作比喻为“在巨大的喷气机旁听出一只蟋蟀的叫声”。他自己则说，当实验和理论之间不相符的时候才是最有价值的，“物理学的进步是建立在你摧毁其他人的认识之上的”。
随着丁肇中的声名鹊起，他实验的规模也开始“水涨船高”。1983年，丁肇中领导着当时世界上最大的物理学合作项目——位于欧洲核子中心大型电子-正电子对撞机上的L3实验。大约有500名物理学家参加了L3实验，其所雇佣的人数超过了大型电子-正电子对撞机上的任何一个实验。他的领导风格并不是完全民主的，但这使得他可以快速、果断地实现目标。丁肇中曾经要求美国能源部升级大型电子-正电子对撞机实验，但美国能源部拒绝了他的要求。当时丁肇中站了起来说：“我拒绝你们的拒绝。”
但丁肇中建造更大型实验的想法还是遭到了反对。涉及13个国家90个研究机构1,000名科学家的超导超级对撞机由于“内部问题”在1991年宣告“破产”。紧接着，欧洲核子中心也拒绝了丁肇中将L3实验放到大型强子对撞机上的提案。这迫使丁肇中和他的紧密合作者不得不开始考虑一些更小型、更简单的实验。在L3工作间隙的一次咖啡时间中，AMS的想法诞生了。最初的想法是一个参与人数不超过100人、可以放在一张桌子上的实验

                               
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[图片说明]：丁肇中。
但最终的结果是，14年来AMS耗资达15亿美元，被《纽约时报》称为是“有史以来最昂贵的科学实验之一”。AMS的背后有来自16个国家56个研究机构的500人团队。盛放重达7吨的AMS的“桌子”足可以停下一辆小型公共汽车。其0.86特斯拉的超强磁场是太阳黑子的5倍、地球磁场的17,000倍。如果AMS不花一半的能量来抵消超出其自身范围的磁场，那么要不了多久国际空间站的姿态就会无法保持静止。
大爆炸遗孤
AMS通过探测宇宙中的带电粒子——宇宙线——来寻求粒子物理学中一个尚未被解决问题的答案：为什么我们的宇宙绝大部分是由物质而不是反物质组成的？在宇宙大爆炸诞生的过程中，似乎存在一种神秘的机制使得物质受到垂青而反物质则被打入了冷宫。
当正反物质相遇的时候就会湮灭产生光子。但如果在早期宇宙中有一些反物质躲过了这场“肃清”运动，那么也许时至今日宇宙中还留有这些大爆炸的遗孤。如果有一个反氦原子核——大爆炸以来任何已知的过程都无法产生的反原子核中最轻的一种——从AMS中央穿过了过去，那么由于强磁场的作用而导致的它运动轨迹的弯曲就能立刻揭示出它的质量和电荷。假设反氦核的特殊轨迹最终出现在了AMS的数据中，这无疑将会是革命性的发现。因为这是一个信号，这个信号预示着在宇宙中的某个地方还有反物质星系、反物质恒星、反物质行星乃至反物质生命的存在。由于反物质从外表看上去和物质没有什么区别，因此天文学家无法仅仅通过观测来区分某颗恒星乃至某个星系是否是由反物质组成的。而AMS却能做到这一点。1998年的AMS-01探测到了数百万个氦核，但是没有反氦核。
除了搜寻整个由反物质组成的星系之外，AMS还将检验暗物质的主流理论。在标准的宇宙学模型中，宇宙物质的绝大多数是由暗物质构成的，它们占了宇宙物质的83%，但它们的性质至今未知。组成恒星、行星以及你、我的质子、电子和中子则占据了宇宙物质的其余部分，它们和暗物质之间仅仅通过引力发生相互作用。此外，AMS还将寻找奇异物质，它们是由奇异夸克组成的超大质量物质。更好的了解奇异物质将帮助科学家研究微类星体和微型原初黑洞的蒸发，由此也可以证明这些小型黑洞是否真的存在过。
“AMS使得我们第一次能以非常高的精度来测量超高能宇宙线，”丁肇中说。1999年使用AMS-01十天的观测数据给出了宇宙中反氦核和氦核流量之比的上限为百万分之一，而AMS-02的灵敏度则能达到十亿分之一，比先前的高出了一千倍。如果AMS-02最终没有探测到反氦核，那么这就说明在1千兆秒差距（1秒差距=3.26光年）的范围内不存在反物质星系，这基本上已经达到了可观测宇宙的边缘。
钟情空间站
丁肇中经常把AMS和高能粒子加速器进行比较。与探测来自宇宙的高速宇宙线不同，这些地下的加速器会使用巨量的能量来“制造”粒子。为了研究这些粒子，加速器和AMS一样都会使用强磁场来偏折粒子的运动轨迹，并且用传感器来跟踪粒子的轨

                               
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迹。

[图片说明]：AMS-02（左侧的矮圆柱形）安装到国际空间站上之后的想象图。
这些传感器会产生好几万亿字节的数据，超级计算机根据这些数据来计算每个粒子的质量、能量和电性。超级计算机正是AMS钟情国际空间站而非普通卫星的原因之一。AMS会产生巨量的数据，由于数据量过大因此无法传回地球，只能在轨道上用自身由650个中央处理器组成的超级计算机处理。这台超级计算机的耗能为2.5千瓦，远远超过了普通的人造卫星太阳能板所能提供的电力，但却在国际空间站100千瓦电力供应的范围之内。一旦被安装到国际空间站上之后，AMS-02预期可以工作3-5年。
AMS和地下的加速器有两大重要的区别。第一，AMS所要探测的是较重的核子，它们的能量比加速器所能产生的还要高得多。欧洲核子中心的大型强子对撞机是世界上最强大的加速器，粒子在其中碰撞时的能量可以达到大约7万亿电子伏特。与之形成对比的是，宇宙线的能量则高达1万亿亿电子伏特或者更高。第二，加速器通过碰撞“碾碎”粒子来了解粒子本身，而AMS则通过探测来自深空的高能粒子来了解宇宙。
在这个领域还有其他的仪器也在做着同样的事情，例如意大利在人造卫星上所进行的反物质探测和轻核天体物理载荷（PAMELA）实验。它也搜寻了宇宙中的反氦核，但精度尚不足说明问题。不过，PAMELA已经上天，而AMS-02还“躺”在家里。但随着时间的临近，AMS即将迎来它“最后的战役”。
（本文已刊载于《新知客》杂志2009年第10期）

希望丁肇中团队能够获得成功

科学的进步会越来越难，但永远不会停止前进的脚步。

挺丁肇中…………~~~

张紫恒童靴~~~貌似你也喜欢松鼠会是不是~？