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"巨型甜甜圈"加入探寻反物质的行列

AMS-02应当可以持续运转至少10年

(montage photographique: nasa)

为了探明地球是否被反物质与暗物质包围,国际空间站(ISS)上将安装一台大型磁谱仪。

AMS-02全称为阿尔法磁谱仪2号,由日内瓦大学与苏黎世联邦理工学院(ETHZ)的科学家共同研发,将通过于本周五当地时间15:47发射的奋进号(Endeavour)航天飞机运载至空间站。

这次发射受到美国总统巴拉克·奥巴马(Barack Obama)的关注,他计划与家人一起在肯尼迪太空中心(Kennedy Space Center)观看奋进号的发射过程。

这次的太空飞行将是奋进号的第25次、也是最后一次任务,同时还是“航天飞机计划”(Shuttle Programme)历史上的第134次飞行。之后该计划只剩最后一次太空任务,将由阿特兰蒂斯号(Atlantis)航天飞机完成,它会按计划于今夏向空间站运送最后一批物资,自此历时30年的“航天飞机计划”就将划上句号。

1998年,AMS-01搭乘给俄罗斯和平号空间(Mir)站运送物资的航天飞机进入太空,9天后带着收集到的宇宙微粒重返地球,这些微粒就是宇宙射线,它们不断地冲击着星际空间。

当时的目的乃是要显示,这样的设备也可以经受得住发射升空的严酷条件。

AMS-02应当可以持续工作至少10年。在美国人们将之称为“哈勃宇宙射线望远镜”。

为了探测这些来自太阳和邻近恒星、超新星或是大爆炸的射线,我们必须越过过滤层,即我们赖以生存的大气层。而距离地表300公里、每天环绕地球15圈以上的国际空间站,是理想的太空泊站。

阿尔法磁谱仪的心脏是块大型圆柱形磁铁,其中心有个洞,形似一只巨型甜甜圈,它能根据不同宇宙射线的电荷来将它们分离。连接至600多台电脑的一系列探测器就能进行下一步的分析。

反质子

“我们将能够对地球的放射环境作出完全的勘测-它的化学构成、空间与时间变量,”AMS-02项目主管之一的马丁·波尔(Martin Pohl)透露。波尔还是日内瓦大学物理学院院长,该院在探测器的构想与建造过程中起到关键作用。

“在我们知道宇宙射线100年来,这将是首次拥有对该现象的第一手资料,”他告诉瑞士资讯swissinfo.ch。

更重要的是,这部磁谱仪应当还能捕获反质子与正电子,即构成反物质的基本元素(见右栏)。AMS-01已探测到它们,但其数量很微弱,因此它们很可能是在宇宙130亿年历史中通过微粒不断相撞而产生的。

在这种情况下,它们结合形成原子的可能性几乎为零。

反物质团块?

令物理学家们感兴趣的是来自宇宙形成之初的原初反物质。

正常情况下,应该能发现至少以氢和氦这两种最简单化学元素原子形式存在的反物质。

“AMS-01未能在100万原子中找到反氦。如果AMS-02在10亿原子中什么也找不到的话,我们就没必要再深入下去了,”波尔指出。

“可是如果我们能找到一些,就意味着有些小的反物质团块得以在大爆炸中保留下来。”

假如探测器找到任何质量更大的原子-例如反碳,而我们知道这些元素只能在星体中心形成,那这可能表明反星体的某些部分还存在。

波尔将这些假设描述为“更令人着迷,可能性也更渺茫”。

欧洲核子研究中心的参与

至于暗物质,如果它的基本成分的确是粒子,那么AMS-02应该可以发现得了……也许还会有些其它奇妙的东西,例如更多未知形式的物质。

实际上,这架太空磁谱仪是对瑞法边境欧洲核子研究中心(CERN)内大强子对撞机(LHC)的完美补充。

在产生粒子的太空-它们的天然栖息地-对粒子进行观测,其优势不言而喻,即使是世界上最大的粒子加速器,也无法令它们达到在太空中的能量水平。

因此欧洲核子研究中心一直积极地参与这一项目。该中心已在AMS-02上作了多次测试,并会处理它从太空发回的资料。

最后的飞行

这一切当然是假定发射升空以及在国际空间站上的安装任务能顺利进行。

AMS-02将与其它宝贵物资一起搭乘奋进号的最后一程。于上世纪70年代设计、已执行了133次太空任务的“航天飞机计划”已接近尾声,该计划也见证了14位宇航员的殉难。

此程归来后,奋进号将会落户洛杉矶的加州科学中心(California Science Center)。这艘航天飞机接替的是1986年在大西洋上空爆炸、造成7名宇航员遇难的挑战者号(Challenger)航天飞机。

它将是美国航天航空局(NASA)现存3艘航天飞机中退役的第2架。它的姊妹机发现号(Discovery) 在结束3月的飞行后已经退役,并将被运送至史密松宁航空航天博物馆(Smithsonian National Air and Space Museum)展览。阿特兰蒂斯号的最后发射则订于6月28日。

在等待美国未来的太空船问世期间,俄罗斯的联盟号运载火箭将是国际空间站人员的唯一往返工具。届时物资仍会通过欧洲自行建造的自动运载飞船(ATV)运送,今年2月它刚刚顺利完成了第2次的飞行任务。

AMS-02

专为国际空间站设计的阿尔法磁谱仪(AMS-02)是非常先进的粒子物理探测器,它将作为空间站的外部模块与之连接。该仪器将在对宇宙射线构成与波动作精确测量的同时搜索反物质与暗物质,从而对宇宙及其来源进行研究。

来自16个国家的56所科研机构共同参与了AMS-02的建造、测试与操作。美国航天航空局负责AMS-02在国际空间站上的安装工作,该仪器将在空间站的使用期内持续运转。

国际空间站在距地表300公里的太空环绕地球作轨道运行,安装在那里的AMS-02将以误差仅为百亿分之一的前所未有的高精确度探究原初宇宙射线的构成,寻觅原初反物质和研究暗物质的特征。

AMS-02的观测结果会帮助我们解答许多基本问题,例如“构成宇宙无形质量体的是什么?”或者“原初反物质到底发生了什么?”

(来源:根据AMS-02.org内容改编)

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黑暗物质

宇航员和物理学家发现,我们能看到的宇宙-包括行星、恒星和各星系-仅占整个宇宙的4%。

宇宙和天体物理学观测结果显示,大部分的宇宙是由不会发出电磁辐射的无形物质构成的。这就是说,我们无法直接通过望远镜或类似仪器探测到它们,只能通过它们的引力效应进行观测,因此对这方面的研究极其困难。这些神秘的物质被称为“暗物质”与“暗能量”。

暗物质

暗物质在宇宙中的比例约为23%。1933年科学家们首次意识到这种物质的存在-天文观测与引力效应计算显示,宇宙中必定有更多望远镜所不能看到的“东西”。

可什么是暗物质呢?一种认识是,它可能包含“超对称粒子”,即与标准模型中已知粒子相对应的假想粒子。大强子对撞机进行的实验可能能够找到它们的踪影。

暗能量

暗能量占宇宙构成的大约73%,它似乎与太空中的真空相关。这种能量均匀地分布在整个宇宙之中,这不但是指空间上也是指时间上,换句话说,它的效应不会随宇宙膨胀而淡化。

均匀分布意味着,暗能量不会产生任何局部引力效应,而是对整个宇宙的一种全局效应。这引发了一种趋向于加速宇宙膨胀的排斥力。

(来源:根据CERN内容改编)

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(译自英文:小雷), 瑞士资讯swissinfo.ch

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