太空神探——阿尔法磁谱仪

文|高 峰

太空神探
——阿尔法磁谱仪

文|高 峰

2011年5月19日，美国“奋进”号航天飞机宇航员完成了升空以来的首要任务——将名为“阿尔法磁谱仪2”的太空粒子探测器安装在国际空间站上。今后，该磁谱仪将伴随国际空间站的有生之年，持续观测太空中的反物质和暗物质。

阿尔法磁谱仪的外形是一个圆柱形磁铁，曾于1998年搭载航天飞机进入太空，如今它又被附加了一些用于检测宇宙射线的新仪器。这项花费高达20亿美元的实验，旨在搜索宇宙中星际气体、恒星和行星由反物质构成的区域。阿尔法磁谱仪检测投射到地球上的宇宙射线敏感度是前所未有的，它将获得比我们想象中更为可靠的科学数据。

参与阿尔法磁谱仪科学实验项目的科学家来自全球16个国家和地区的56家科研机构，这一项目也被认为是继人类基因组计划、国际空间站计划、强子对撞机计划之后的又一个大型国际科技合作项目。阿尔法磁谱仪的主要部件完工于欧洲和亚洲，其中中国科学家对项目的完成作出了决定性贡献。

检测宇宙射线

阿尔法磁谱仪还将获得来自太阳和超新星、伽马射线爆发等宇宙射线的能量、电荷和组成成分的可靠数据，除了检测较重的反物质原子核之外，这些数据还将成为某个宇宙区域存在反物质的确凿证据。进行检测最理想的地方是太空，因为那里的宇宙射线不会受到地球大气层的影响和破坏。根据“宇宙大爆炸”假说，地球所在的宇宙是在约140亿年前由一个非常小的点爆炸而形成，宇宙在产生物质的同时，也产生了反物质。两者数量大体相当，其中物质多了一点点。

尽管目前物质的存在显而易见，但反物质存在的证据却仅为实验室观测到的稍纵即逝的极微量反粒子。科学家认为，反物质无法在地球环境中存在，因为一旦遇到地球上的物质，两者将湮灭，不过反物质在太空中可能存在。因此，磁谱仪团队希望通过磁谱仪在太空中的观测，发现反物质和暗物质存在的蛛丝马迹，进而探索是否存在反宇宙。

反物质和暗物质很令科学家头痛——从理论上讲，它们应当存在但现实中又找不到它们存在的真凭实据。为求突破，在诺贝尔奖获得者、美籍华人丁肇中的领导下，16个国家和地区的研究人员开始了寻找这两种神秘物质的征程。他们进行研究的主要工具就是阿尔法磁谱仪。

阿尔法磁谱仪就像人类派往太空的神探，目的就是捕捉这两种神秘物质的蛛丝马迹。它的主要本领是能够探测到太空中“流窜”的粒子。这一本领基于磁谱仪强大而特殊的磁场。我们知道，带电粒子进入磁场后轨迹会发生变化，不同带电粒子的轨迹变化也不同，而不带电的粒子轨迹则不会发生变化，因而观测粒子进入这一磁场后轨迹是否变化，变化程度有什么不同，就可以推知这是何种粒子。

与天文望远镜观测物质发出的可见光和电磁波不同，磁谱仪直接观测粒子本身。因而磁谱仪能够发现天文望远镜无法发现的物质，这就是暗物质和反物质。

反物质在哪儿呢

我们已知的物质是正物质，它是由原子组成的，原子是由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成的。与此相反，由带负电的质子和带正电的电子组成的物质就是反物质。正物质和反物质相遇则会产生爆炸，释放出大量能量。

为什么我们现在找不到反物质呢？科学家推测，一种可能性是反物质存在于宇宙的另外一部分。那里的一切都是由反物质组成的，由于反物质发射出的可见光和其他电磁波与正物质发出的没有什么区别，因而我们用天文望远镜即使看到它们，也无法断定它们是反物质。另一种可能性是，宇宙诞生之初，正物质和反物质相遇相互毁灭后，多出的那一点点正物质构成了我们的星系、恒星、行星和包括人类在内的各种生物，我们找不到反物质的原因是反物质都消失了。

暗物质是宇宙中看不见的物质，也就是说没有发出可见光和其他电磁波，因而用天文望远镜就看不到它们。但暗物质能够产生万有引力，对可见的物质产生作用。根据现有的假说和观察，科学家估计暗物质能量占宇宙所有物质总量的90%以上。暗物质到底是什么？是否包含反物质？它在宇宙间的分布情况如何……这些都需要我们去探索。

命运多舛的研制过程

1998年6月2日，“阿尔法磁谱仪1”随美国“发现”号航天飞机升空开始科学探索，但并没有发现反物质和暗物质。这一项目被中国两院院士评为1998年世界十大科技成果之一。“阿尔法磁谱仪1”的主要结构以及关键部分——永磁体是由中国科学家研制的。

后来，科学家开始研制“阿尔法磁谱仪2”。它原计划于2004年由美国航天飞机送入太空，但其行程因2003年“哥伦比亚”号航天飞机失事被一拖再拖。在此期间，以丁肇中为首的科学家不断对“阿尔法磁谱仪2”进行改进，其中曾尝试用超导磁体代替永磁体。尽管这种方法可以产生更强的磁场，但超导磁体需要液氦冷却。由于在太空中无法补充液氦，因而利用这种方法制成的磁谱仪寿命只有3年。2011年2月，“阿尔法磁谱仪2”曾运至荷兰诺德维克欧洲航天局研究和技术中心进行模拟空间测试。测试后决定仍用永磁体，不用超导体。这样可以使磁谱仪的使用寿命延长到18~20年。

几十年来，物理学家提出过各种方案企图将磁谱仪送入太空，但由于无法制造一个可以在太空运行的磁铁而未能如愿。中科院电工所利用多年来在研究核磁共振永磁体方面取得的丰富经验，提出了完全利用钕铁硼永磁材料的独特设计方案。它的磁场强，漏磁非常小，磁二极矩几乎为零，完全能满足AMS实验在空间运行的要求。丁肇中采用了电工所的设计方案，最终中国科学家和工程师研制出了人类送入太空的第一块磁铁，使物理学家几十年来的梦想成为现实。

阿尔法磁谱仪还能对宇宙中其他各种同位素的相对丰度进行精确的测量。这些测量结果将会回答宇宙论和天体物理学中的许多重大问题。作为人类送入太空的第一个磁谱仪，这个实验很可能会有意外的重大发现。因此，阿尔法磁谱仪引起了世界各国科学家的极大兴趣。它是目前在国际空间站上唯一计划实施的大型科学实验。