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天体粒子


在日内瓦捕捉星际尘埃




天体粒子是带电高能的次原子粒子,它们来自太阳或遥远的星际源头,为科学家了解宇宙的来源与演变提供了不可或缺的信息。如今有两部探测器-一部为国际合作项目,另一部为中国项目-正在地球轨道上追踪天体粒子。日内瓦参与了这两部探测器的设计与制造,并对它们提供的部分资料展开分析工作。

阿尔法磁谱仪被安装在距离我们头顶400公里之处的国际空间站外部。 (NASA)

阿尔法磁谱仪被安装在距离我们头顶400公里之处的国际空间站外部。

(NASA)

第一部探测器名为阿尔法磁谱仪(法)(AMS-02),作为美国、俄罗斯、欧洲、日本与加拿大的合作项目,它已在国际空间站(英)上连续工作了五年半。第二部则被命名为伽玛暴偏振探测仪(POLAR),于上月与中国空间站天宫二号(英)一同发射升空。

两部探测仪的目标是要监测与分析主要由各天体发射出的微小粒子,这些粒子以极高的速度在太空中不停旅行。它们的原理同欧洲核子研究中心(英、法)(CERN)的探测仪差不多,不过它无需通过加速与对撞来生成粒子,而是采集自然生成的宇宙微粒。其实说起来,阿尔法磁谱仪和伽玛暴偏振探测仪的问世都要归功于欧洲核子研究中心,以及日内瓦大学(Université de Genève)核与粒子物理系(法)(DPNC)。

不只为了专家……

先来说说阿尔法磁谱仪。它由诺贝尔物理学奖得主丁肇中(英)提议设计,是由6000块合金片粘连而成的超级磁铁。这部仪器直径1.1米,高0.8米,内部是空心的,形似一个巨型甜甜圈。它能根据粒子所带的电荷等级将其一一分开,再将这些粒子引向一系列监测器,以便分别辨认它们的各种属性。

阿尔法磁谱仪能够捕获质子,甚至反物质粒子,以帮助物理学家们摸索到极其神秘的暗物质的行踪,而暗物质与反物质的关系至今仍倍受争议。在过去五年里,这部仪器已经探测到近1000亿种粒子,但遗憾的是,还未有过任何重大发现。它的探测结果主要被用来进一步细化物理学家的理论模型,让他们更加绞尽脑汁地去从事进一步的探索。

阿尔法磁谱仪从设计制造到送入地球轨道,共历时16年。

这一结果是否令人失望?参与设计阿尔法磁谱仪的索尼娅·纳塔尔(Sonia Natale)表示:非也。她提醒人们,在科学的世界里,成功与否很难预测,而运气也可能占了一定分量。她举了美国激光干涉引力波天文台(英)(LIGO)的例子,在经过几年的技术停顿之后,重新启动的当天就探测到了引力波(法)

欧洲核子研究中心的这位物理学家指出:“无论如何,阿尔法磁谱仪将完成一件此前未能做到过的事,就是监测地球周围不停涌动的各种粒子,其中绝大部分源自太阳。这项任务会延续至国际空间站运作期结束,即2024年,我们认为甚至可能更久。”科学家们将能得到一个完整太阳活动周期(11年)内各种变化的宝贵资料,这会让我们了解太阳对生命与人类活动产生的影响(例如气候变化、电波通讯等)。

这些资料被传送到欧洲核子研究中心的普雷弗桑(Prévessin)实验室,它位于法国境内,于上世纪70年代建成。这里已经跟美国国家航空航天局(NASA)建立起了联系。即便这个实验室并不属于美国航空航天局,但阿尔法磁谱仪毕竟安装在人家的空间站上。“设备管理由他们来做,我们必须遵守他们的规定,”纳塔尔解释道。

中国式纪律

说到规定所带来的限制,尼古拉斯·普罗迪伊(Nicolas Produit)也有过亲身经验,但不是在日内瓦,也不是休斯顿,而是在中国。这位曾效力欧洲核子研究中心的物理学家如今为日内瓦天文台工作,他是伽玛暴偏振探测仪-首个登上中国空间站的非中国实验-的构思与设计者。

本来已获得资格,可以在9月15日亲临酒泉卫星发射中心观看发射实况的他,临到发射的前一天,却与两名同事一道被禁止外出。他只好站在酒店屋顶上目送长征号运载火箭升入太空。禁足的原因是这三人在市里闲逛时去了不该去的地方,正好碰到有位部长经过那里。论纪律,控制载人飞行的中国军方可不会开玩笑。

2016年9月15日,装载着伽玛暴偏振探测仪的长征号运载火箭发射升空。这部探测仪被安装在天宫二号空间站上。 (Reuters)

2016年9月15日,装载着伽玛暴偏振探测仪的长征号运载火箭发射升空。这部探测仪被安装在天宫二号空间站上。

(Reuters)

如今再提起那件事,普罗迪伊总会拿它打趣。放下这个小插曲不提,他还是很为自己能够说服中国人、把他的探测仪送上地球轨道而倍感满足的。

伽玛暴偏振探测仪并不是阿尔法磁谱仪的“精简版”。这是个长、宽各40厘米的铝盒,里面安置了1600个闪烁体,就是能对超高速光子轰击做出反应的晶体。阿尔法磁谱仪算得上是个对各个方位角进行追踪的探测器,但伽玛暴偏振探测仪的设计却只是为了回答一个问题-“伽玛射线暴最强阶段放射出的光子到底有没有发生偏振?”

银河系之灾

怎么说呢?伽玛射线暴(维基百科)是人们能够在宇宙中观察到的最猛烈、最明亮的现象。在几秒到几分钟时间内,数目极其巨大的粒子被以光的速度发射到太空之中,这些粒子可以一直到达我们的地球。流传最广的猜想是,这一巨变可能源于某颗亮度超过太阳数百倍的超新星的塌陷,它最终会消失,变成黑洞。


比超新星还要明亮一亿倍! 

这些异乎寻常的“闪电”能够照亮整整一个星系,但它们同时也非常罕见。据估算,这种现象差不多每个星系每一亿年才会发生一次。不过,由于宇宙中有无数星系,观察到这一现象的机率大体上是一天一次。而伽玛暴偏振探测仪能够不间断地“观察”天际的四分之一,也就是说,大约平均四天它就能捕捉到一次伽玛射线暴。

偏振又是什么呢?简单说来,正常的光线会以垂直波形式传播,比如大海里的波浪。如果光线发生偏振,那么光波会发生旋转,比如45°偏角,并且不再以垂直方向,而是以平行方式传播。

而伽玛暴发射的光波是怎样传播的?这位物理学家回答说:“人们已经研究了半个世纪,却仍然没有什么结果。对偏振的预测从0到100%都有。要让光波产生偏振,就必须有一个有机磁场和不太大的发射区域。所以我们将采集到的资料,能帮助我们了解伽玛射线暴的真谛。”

来自天际的死亡

伽玛射线暴都发生在距离地球数百万,甚至数亿光年之外的其他星系里。普罗迪伊指出:“(如果能够观测到,那么)这对我们来说是件幸事。(因为哪怕只有一次撞击地球的伽玛射线暴)发生在我们的银河系里,那也糟透了,对地球上的生命都是不能再糟的事。”

他说的还太委婉。2013年《自然》期刊登载的一篇文章(英)提到,一场撞击地球的伽玛射线暴能在几秒之内破坏至少三分之一的臭氧层,从而令太阳发出的紫外线毁灭掉地球上的大部分植物与浮游生物,而后者是海洋食物链的基础。不消几个星期,多达60%的食物生产将全面崩溃,大家可以想像人类社会将出现怎样的混乱局面。

然而这幅世界末日的画面并不会到此为止:大气层新的化学构成会令空中形成氧氮化物的有毒云层,遮住太阳的光芒,天空将呈现一片橙黄色,还会源源不断地降下大量酸雨。


(翻译:小雷), 瑞士资讯swissinfo.ch,于日内瓦

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