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惊艳世界的阿尔法磁谱仪:有一颗“中国心”等

时间:2019-05-29

  阿尔法磁谱仪的核心部分:内径1.1米,外径1.4米,厚0.8米,重2.6吨的环形巨大永磁体。 但这还只是完成了一半。“它是要上天的,美国宇航局对安全性的要求非常高,何况,这是美国航天飞机第一次搭载中国制造的大型载荷,而且是第一个送入宇宙的大型磁体。如果有任何闪失,毁坏了航天飞机,后果不堪设想,所以有非常严格的评审。”陈和生说。中国运载火箭技术研究院(航天一院)用20多倍重力加速度的冲击实验来模拟离心实验,确保磁体在发射、降落的严苛环境下平安无事。 在阿尔法磁谱仪之前,漫长的时间里,人类对太空的理解主要基于地面上或者太空中望远镜的观测数据。宇宙射线会被地球大气层吸收而拦截,要想研究宇宙射线,探究反物质和暗物质,需要去太空中观察。宇宙射线是一种带电粒子,需要一个磁铁来让它转弯,辨析原子核是带正电还是负电。电子带的是负电,而它的反粒子则带正电。 丁肇中没有就此气馁。16个国家、56个研究机构的科研人员参与项目,耗资20亿美元,眼看一切准备就绪,却在最后实施环节被中止。丁肇中一边想替补方法,一边努力说服美国国会。2008年,美国国会通过相关法案,以立法的形式为阿尔法磁谱仪项目“保驾护航”。 但从“阿尔法磁谱仪1”到“阿尔法磁谱仪2”,中间却相隔了整整13年。因为“哥伦比亚号”航天飞机执行任务时意外爆炸,航天安全问题成为牵绊,原定在2005年将“阿尔法磁谱仪2”送至太空的计划被搁置。 “首先是设计出没有漏磁和磁二级矩的磁体,并在限定的重量范围之内,达到要求的磁场均匀性和强度。”陈和生说,依靠欧洲核子研究中心的计算机系统,用现代高能物理多参数的优化,中科院高能所和中科院电工所一同设计出最终的方案。 2011年5月,阿尔法磁谱仪随着美国国家航空航天局的“奋进号”航天飞机进入太空,固定在国际空间站,每90分钟绕地球一周,捕捉宇宙射线中暗物质和反物质的“蛛丝马迹”。这是人类送入宇宙的第一个大型磁谱仪,进行精确粒子物理实验。目前人类所能认知的物质只占宇宙构成的4%,剩余96%则是暗物质和暗能量,仍是物理学中没有解开的谜团。 陈和生出自丁肇中门下。1994年,当丁肇中开始有了将磁谱仪放置在太空进行实验的科学创意,陈和生成为最早加入这项科学计划的中国科学家之一。“大型磁体是磁谱仪的核心。把大型的磁体放到宇宙中去一直是科学家的一个梦想。”陈和生说。 而“把磁体送到太空”之所以成为科学家的梦想,是因为这看似是一件不可能完成的任务。曾有科学家在1972年有过类似想法,但知难而退。丁肇中说:“这是我40多年里遇到的难度最大的实验,甚至比当初为我带来诺贝尔奖的发现J粒子的实验还要困难得多。” 如今,阿尔法磁谱仪已经“服役”5年,未来只要国际空间站还能运作,它也将继续它的使命。2024年,在国际空间站退役之前,阿尔法磁谱仪会帮助人类“解码”暗物质和反物质吗?又或许,阿尔法磁谱仪会带来意外的科学惊喜? “阿尔法磁谱仪1”是一次飞行试验,此前从没有精密的高能物理探测器上天。当时,国际空间站尚未建成,“发现号”在太空中飞行了10天后,安全回程,降落在肯尼迪发射中心。 漏磁在磁体上天后会影响航天设备的运行,磁二级矩则是磁体会受到地球磁场的影响而转动,要消耗能量来抵消。多国科学家对此束手无策。魔环结构可以攻克这两大难题,而中国科学院电工研究所恰好在做核磁共振的磁体时积累了经验,可以制造出符合条件的永磁体。 “寻找反氦原子核是阿尔法磁谱仪最初的主要科学目标之一,”中国科学院高能物理研究所研究员、中国科学院院士陈和生是首批参与阿尔法磁谱仪项目的科学家,他告诉澎湃新闻():“丁肇中先生对科学非常谨慎。反氦3要排除所有其他来源的可能。宇宙线的粒子打击到探测器上,会不会产生反氦3?根据我的了解,这是他们现在还在深入考虑的问题。” 一个科学设想的落地没有耗去太长时间。1994年有了设想,1995年完成初步方案,1997年3月,作为阿尔法磁谱仪的核心部件,制备完成的永磁体从中国运往美国,装有它的集装箱刚好可以放进波音747货机。紧接着,重庆市第六届中小学体育教师技能比赛隆重开幕!1998年6月,在美国约翰逊航天中心,“发现号”航天飞机搭载着装有“中国心”磁体的“阿尔法磁谱仪1”进入太空。 验收环节的“打破纪录”在意料之外。美国对航天飞机搭载的载荷要求极其严苛,据丁肇中此前透露,连做螺丝的人,美国宇航局都要问清楚,是谁做的,教育背景是什么样的。一般而言,美国宇航局对送上太空的大型载荷有三轮安全评审,而这次,只有两轮就敲定了。“他们说你们已经回答了所有的问题了,不需要再做第三次了,这是美国宇航局历史上第一次。” 平均每2秒,阿尔法磁谱仪(AMS)会测量1000个宇宙线事件。通过分析这些数据,人类或许可以揭开暗物质和反物质的神秘面纱,知晓宇宙诞生之初的故事。 最终,采用被称为“磁王”的钕铁硼稀土材料,64段磁条沿着环形圆周分布,内径1.1米,外径1.4米,厚0.8米,重2.6吨的磁体建成,精度比美国宇航局要求的高出一个数量级。在此前接受新华社采访时,陈和生难言自豪之情:“从设计到制造,再到测试,整个过程都在中国完成,可以说是百分之百的中国制造。” 这才有了2011年5月的历史性一刻。“奋进号”完成了它退役前最后一次任务,将“阿尔法磁谱仪2”运至太空,开展科学实验。而磁谱仪内部的永磁体依然是13年前中国制造的那座,永磁体经过岁月流逝,性能没有变化。 时隔5年,阿尔法磁谱仪已经累计测量了900亿宇宙线日,在瑞士日内瓦欧洲核子研究中心,项目主持者丁肇中教授发布了阿尔法磁谱仪的“五年成绩单”。其中令人惊喜的是,AMS观察到了几个反氦3,这一结果震惊了世界,因为它可能是宇宙存在反物质的证据。

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