研究宇宙射线的气球从南极升起

胡　明　　刘　洁

2001年12月正是南极洲的夏天，一组科学家和工程技术人员放飞了一个带有大型科学仪器的巨大气球。10多年来，美国航空航天局(NASA)和国家科学基金会(NSF)每年都要在这里放飞气球，以进行科学研究。他们放飞的气球携带一个叫做"虎"(TIGER)的探测器。这是一种银河系元素的记录仪，由华盛顿大学、航空航天局的哥达德空间飞行中心、加州技术学院和明尼苏达州大学的科学家共同建造。它随气球飘浮到大气层，去探测宇宙射线。

宇宙射线与探测器

以原子核为主体的宇宙射线以近于光的速度在宇宙中穿行，它们从宇宙的各个方向来到地球煻超新星释放出来的强有力的冲击波则是宇宙射线的加速器。元素周期表中的所有元素都来自于宇宙射线，这些元素在地球上所占的比例与它们在太阳系中所占的比例大体相同。宇宙是由大约90%的氢、9%的氦以及1%的第28号元素(镍)以前的元素组成。元素周期表中镍以后的元素非常的稀少，在整个宇宙里它们存在的总量少于0.00001%。据科学家分析，这些超重的元素只能在超大规模星球的核心中形成或形成于巨大的超新星爆发的过程中。以前一直未能对这些稀有元素的宇宙射线进行过很好的研究，现在研究工作可以借助"虎"探测器来进行了。

对宇宙射线的研究有90多年，它们是我们能从银河系远端获得的唯一物质。虽然目前有两种主要的理论，但仍未弄清它们的起源。对于宇宙射线的起源有两种理论。一种理论认为宇宙射线来自于热气，它们类似于太阳这样的恒星的大气层，证据就是在温度高达10000度的绝对温度下会发生电离的元素有大量的宇宙射线；而另一种理论则认为宇宙射线来源于星际间的尘埃粒子。但是在大多数情况下，构成星际间尘埃的元素也是在10000度绝对温度下会发生电离的元素。科学家希望能够在稀有的重元素中找到一些能打破这两种理论均衡性的元素。

因为银河系、太阳系和地球的磁场极大地影响着这些粒子的运动路经，所以通过运动轨迹难以找到它们的出发点，也不可能用"天文学"的方法来研究它们；另外，宇宙射线同样能在大气层里分解，因此只能通过卫星或气球对它们进行直接的研究。

"虎"探测器是一个很大的立方体，有几米宽，一吨多重。研制地面加速器是为了能把粒子加速到光速，并对其进行测量。而"虎"探测器在很多方面类似于地面高能加速器中使用的设备。每种进入"虎"探测器的宇宙射线都要经受探测器中各种探测仪器的测量，如粒子的能量、速度和轨迹。各种探测仪器都按照一个类似的办法进行工作，即粒子在探测器中产生少量的光，并被精确地测量。把来自各探测仪器的信息汇总，可确定通过"虎"探测器的每种射线的类型和能量。

科学气球

宇宙射线是在1911年由维克多·汉斯(VictorHess)从热气球上发现的。从那以后，科学家们大都使用气球把仪器带到大气层。今天，巨大的气球已能到达并被放置在99.5%的大气之上。在那里，科学家们不仅仅能研究地球大气，而且可以研究宇宙射线、伽玛射线、紫外线和其他天体物理学领域的问题，否则需要一艘宇宙飞船才能克服地球大气层的干扰，获得它们的测量数据。一个重达几千公斤的大型仪器可以搭载气球飞到离地面几十公里的地方，而费用仅为采用航天飞机或火箭来完成同样工作所需经费的一小部份。在很多情况下，在花费大量投资进行一次空间探测之前，气球可以搭载科学仪器飞行，对科学仪器的性能进行考察试验。

美国国家科学气球实验室是美国航空航天局一个专门负责放飞这些气球的分部。其放飞小组位于德州的巴勒斯坦，他们每年到世界各地去旅行并放飞20多个研究试验气球。

探测气球升起的地方

建在南极洲罗斯冰架上的美国迈克莫多(McMurdo)基地，是南极洲最大的基地，在夏季最高峰时，人数通常可达1200人，大约是整个南极大陆人数的四分之一。放飞可长期飞行气球的迈克莫多气球站，就在迈克莫多基地附近。它位于南极洲岸边的罗斯火山岛。这里是一个很理想的地方，地处南极洲夏季活水所能深入的最远处，可以用货船来代替飞机运送所需的全部设备，而且罗斯火山岛坚固的表层适于建造基地。在南极洲没有冰雪的地方只有不到2%，在冰雪上建造的放飞场会因长期使用而下沉。正是由于上述原因，一些地球探险家把罗斯岛作为南极考察的基地。他们当年建造的小屋现在仍在那里，并作为历史景点而受到保护。这里的夏季有一段时间不结冰，迈克莫多的街道上到处是泥泞的水坑。虽然在夏季太阳总不落山，但是当它接近到地平线，即"晚上"时，温度总是在冰点以下。

为什么南极洲被认为是放飞长期飞行气球的最好地方呢?这里有几个原因。第一个原因是南极洲的夏季能提供24小时的阳光，这有两个好处:一是科学仪器可以使用大量重量较轻的太阳能电池提供能量，以替代沉重的化学蓄电池，这可以为气球减轻几百公斤的重量。另一方面，当气球夜晚飞行时，气球中的氦气将会变冷致使气球失去高度。为了保持气球的高度，必须经常扔掉几百公斤的沙袋，这限制了中等容积的气球仅仅能飞行几天。虽然在南极洲飞行的气球在白天随太阳角度的变化而变换飞行高度，但这种变化无需借助沙袋。第二个原因是，南极洲比类似纬度的北极好，因为气球飞行都是在大陆或永久性冰块上进行。而在北极点不结冰的水域环绕飞行，万一发生紧急情况着陆就有可能丢失仪器。同时，南极洲是国际领地，在飞越其上空时不需要像北半球那样，需要得到其他国家的同意。还有，南极地球磁场的形状允许更多的粒子到达极地上空的大气层顶部，远远超过可以到达赤道大气层顶部的粒子数。这意味着在同一次飞行期间，能采集到更多的数据。

气球放飞与回收

12月中旬，正当科学小组准备放飞气球时，一场代号"赫比厄"(Herbie)的飓风式夏季暴风雪猛烈袭击着迈克莫多和其附近的地区。在那些被岛屿掩蔽的被称为"镇"的地方，风速高达每小时120公里，另有大量的雪花从冰架上刮下来。"镇"上的能见度很低，人们只能在两个建筑物之间小心翼翼地挪动。但在"镇"外，风速加大到每小时186公里，并且能见度降到了零度，即成了"乳白色的天空"。暴风雪持续了4天，在它结束后，花费了好多天来修复长达11公里的放飞场外的道路，清理跑道及那里的气球放飞架。

暴风雪后的第一项工作就是放飞一个探测38公里高空风速的小型"探路者"号气球。38公里是"虎"探测器所要达到的高度。在风暴来临之前，高空风飘忽不定，"虎"探测器有被吹落到海里的危险。但是现在风吹向西方，它应能在极点周围飞行，并直接返回到原地。

12月20日，地面天气看上去很好，放飞程序开始启动。在对"虎"探测器进行全面检查合格后，它被一个由起重机改装并作为放飞架来使用的设备升起并被带到发射台。这是一个巨大的环型架子。到发射台后，气象预报员告知地面上的风还不适合发射，风需要变小。随后等待了12个多小时，气象预报员说风停了，气球可以放飞了。

巨大的气球由近两吨重的高强度聚乙烯塑料制成，其厚度只有像三明治的包装袋那样厚。气球的总体积为82万立方米，在其充气前有一辆卡车那样大。气球需要"虎"探测器逆风放置，沿着几百米的发射场伸展开来。逆风方向为气球开始升起提供了保障。气球带着有效负载直接从发射起重机上漂浮起来。在探测器和气球之间，一个红白相间、37米长的巨大降落伞也随后展开，它在探测器结束使命时为其提供软着陆。

需要满满一卡车的液态氦去充满气球。在最大飘浮高度，氦气能使气球的体积膨胀200多倍，直径将达到大约122米，足够覆盖一个运动场。

2001年12月21日，当地时间12:30分，充气完成，气球脱掉尾部的扣锁，飞向宁静、尉蓝色的天空。几小时后，气球到达39320米的最大高度。

科学小组异常兴奋，在第一天及以后的日子里，气球通过"数据中继卫星"(TDRSS)将所有的数据传送给科学小组，并对探测仪器发送指令。气球在微风中飞行，没有主动驾驶的功能，只能对高度有所控制。减少沙袋的重量能减轻气球的负荷，增加气球的高度。通过气球上的一个阀门释放氦气，来降低气球的高度。

在过去的年代里，有许多飞行器围绕着南极点航行，飞行时间从9天到25天。装载"虎"探测器的气球是第一个环航南极点两次的气球，第一次飞行用时13.5天，安全返航几乎直接回到原地；第二次在南极点进行了环绕盘旋，并在18天后返回了罗斯冰架。两次飞行总共持续了31.8天，是这类气球飞行的新记录(旧记录是26天)。在整个飞行过程中，试验一直进行得非常好。

着陆时出现了一些问题。试验设备在离开气球后，靠自身的降落伞飘落到地面，随后降落伞应与仪器进行分离，以使地表风不能拖住它，然而分离没有成功。因此，直到罗斯冰架上的风变得平静以前，终止飞行的指令始终没有发出。一架小型飞机被派往气球和探测设备着陆的地区，科学小组成员看到雪中一条拖带的痕迹通往东北方向。沿着拖带痕迹前进约32公里，他们发现气球在一个小时里仍然飘浮过冰架几公里。气球和探测设备虽然着陆了，却没有办法让它们停下来。小型飞机在装满燃料后，又重新回到气球和探测设备的着陆区，继续沿着拖带痕迹前进。他们发现，趁着风停止的间隙降落伞落在了冰面上，探测器安全了。在经过约120公里的雪地行驶后，它几乎没造成多大损伤。

由于"虎"探测器被重新找到而且只有一点小损伤，科学小组计划2年后再返回南极洲，做另一次飞行。"虎"探测器所采集到的极重的宇宙射线很少，还很难得到十分有用的结果。在第二次飞行时，测量将肯定得到改善。但是，即使是"虎"探测器多次飞行也只能增进我们对宇宙射线中40(锆)以前元素的了解。宇宙射线中元素周期表后半部分的元素更稀少，需要更大的探测仪器在空间飞行几年才有可能采集到。

"虎"探测器科学小组只是一个大研究组的一部分，这个大研究组正在研制"重核探测者飞行器"，能测量这些稀有元素在宇宙中的含量。该飞行器由两个仪器组成，其中一个是比"虎"更大、更先进的探测设备。该探测设备可以采集并测量元素82(铅)以前的宇宙射线元素。另一个仪器是"极重的宇宙射线成分观察者"。它通过留在玻璃上的宇宙射线微小的痕迹去寻找元素70(镱)和元素96(锔)之间的元素。它将最终为我们提供元素周期表中2/3元素在宇宙中含量的详细资料。在此之前，"虎"探测器将继续飞行在大气高层，做大量的空间科学探测工作。责任编辑:简言■