“星尘号”采样：迎风“捞”粒子

文/ 李晨风

天文学家们早就知道，彗星的彗尾是非常稀疏的物质，但是体积极为巨大。组成彗尾的到底是什么，科学界一直无法确认。1999年，美国宇航局发射了星尘号探测器，在7年时间中共绕太阳3 圈，从彗尾中收集了一点点颗粒物资。虽然数量极为稀少，但是具有的科学价值，却是无法替代的。

▲ “星尘号”采样机构的展示模型

B 面用完用A 面

“星尘号”的出征是相当低调的。因为经费不多，所以要选择尽量节省的轨道方案。用来发射“星尘号”的，是即将退役的德尔塔2 号火箭，精心计算的轨道既能保证有效穿过彗尾，又能用德尔塔2 号火箭来送入太空，代价是飞行时间比较长。经过漫长的飞行，“星尘号”在2000年1月终于来到了火星和木星轨道之间，这是它的远日点。“星尘号”的发动机这时候启动，改变轨道向自己的近日点前进。

从2002年8月开始，“星尘号”开始收集空间粒子，这个过程一直延续到2002年12月。这个收集过程使用的是收集装置的“B”面，“A”面还没有用上。

2003年12月31日，“星尘号”进入怀尔德2 彗星的彗发，这是围绕着彗星核心的巨大尘埃和气体云。2004年1月2日，美国东部时间14点40 分，“星尘号”在240 千米的距离上飞过怀尔德2 号彗星的核心。捕获彗尾颗粒就要用上A 面了。A 面也叫做“彗星捕集器手套”，是一个长得很像网球拍的东西，实际有效收集面积只有1000 平方厘米，不到两张A4 纸大小，里面装满了纯二氧化硅制成的气凝胶。它的密度只有玻璃的千分之一，所以既能减缓和捕获粒子，又不会改变它们的形态。

在整个捕捉过程中获取的数据立刻传回了地面，给人们带来了完全不同的现场感。任务小组最初预计，当探测器进入彗发时，粒子数量会均匀增加，离开时粒子数量会减少。实际上，数据显示，“星尘号”先是穿过了一个真正的粒子群，之后经历了一片几乎没有任何东西的空白区，然后又遇上了另一个粒子群。数据表明，当它穿过粒子群时，至少有10 次粒子撞击探测器屏蔽层的现象发生。撞击速度差不多是每秒6.1千米。

▲ “星尘号”团队获得当年大奖

在搜集宇宙粒子的同时，“星尘号”还拍摄了不少怀尔德2号彗核的图像。人们从照片上看到了陡峭的悬崖、房子大小的巨石、尖峰、坑壁几乎垂直的陨石坑等。这颗彗星上还有巨大的侵蚀凹陷，某些区域已经侵蚀到100米或更深处。彗星上还有20 多条活跃的喷流、局部热点，向太空喷射着气体和尘埃。

在彗发中的采样持续了6 个小时，然后样品被密封在返回舱里，直到2006年1月返回地球。

▲ 采样后的气溶胶特写

▲ 返回地球的“星尘号”样品舱

▲ 显微镜下看到的“星尘号“样品

世上最轻的固体——气凝胶

气凝胶最初是由北加利福尼亚太平洋学院的一名研究人员于1931年发明的。先把二氧化硅和液体混合物放在模具中，然后加热去掉液体，就得到了气凝胶。为了给太空采样活动提供气凝胶收集器，美国宇航局喷气推进实验室亲自动手研制了宇航级的产品。气凝胶看起来像固化的淡蓝色烟雾，它是已知密度最小的固体。在“星尘号”之前，已经有8 架次航天飞机携带气凝胶收集器进入太空。气凝胶还被用在火星漫游车上充当轻质隔热材料。

现在来看“星尘号”。我们已经知道，粒子被“星尘号”捕获时的相对速度是每秒6.1 千米。如果这是一颗子弹，已经足够把厚厚的钢板打个窟窿，并且让自己完全汽化，物理化学性质完全改变，失去科学价值。当然，彗发粒子没有那么大的动能，所以当它冲进气凝胶时，会被材料轻轻地夹住，逐渐减速停止。这个过程会在气凝胶中形成一条胡萝卜形的轨迹，其长度可达粒子自身长度的200 倍。为“星尘号”任务制造的气凝胶具有极高的透明度，所以，通过寻找这种胡萝卜状的轨迹，就可以在它的末端找到一个粒子。当然，这项工作也不是用肉眼就能完成的，而是要动用显微镜。

气凝胶能够收集到的颗粒，大小在小于1 微米到近1 毫米。大部分科学分析将致力于研究15 微米大小的粒子。因为样品宝贵，操作起来极为小心，可能要研究数年才有结果。

▲ 气凝胶采样盘的一面

▲ “星尘号”样品舱开舱

▲ 气溶胶采样器被密封在上盖里

▲ 显微镜下看到的空间粒子穿透气凝胶痕迹

▲ 中间的一块气凝胶被空间粒子击中

其实“星尘号”粒子收集器的A 面和B 面基本一样。每一面都装着130 块矩形的气凝胶，单个尺寸为2×4 厘米，外加两块稍小的菱形块。但是A 面和B 面厚度不同。用于收集彗星粒子的A 面气凝胶厚度为3 厘米，用于星际粒子收集的B 面气凝胶厚度为1 厘米。而且这些气凝胶的密度并不是均匀的，外侧密度较低，越向里密度越大。收集器使用的时候翻起，采集完成后向下折叠，收纳到返回舱中。

粒子的“新家”

“星辰号”返回舱于2006年1月15日凌晨2 点57 分到达距离地球表面125 千米的高度开始再入，之后安全着陆。

“星尘号”的返回舱并不大，质量只有43 千克，所以在回收和运输过程中都不需要什么特殊设备，设计一个专门的搬运夹具就可以。搬运过程甚至连吊车都用不上，3 名壮汉抠住隔热板的边缘就能把它举起来，擦干净之后抬到直升飞机上就行。其中的风险，无非是返回舱表面还比较热，需要带上防护手套。

此后的工作就要小心翼翼了。为了开箱取出样品，必须设置一个临时洁净室。取出样品罐之后，要立刻连接到净化系统上。这个系统会向气凝胶盒子不断输入恒定流量的超纯气态氮，然后把所有设备空运到美国宇航局约翰逊航天中心。

约翰逊航天中心有一个专门为“星尘号”样本处理设计的实验室，可以对气凝胶进行光学扫描，找到捕获的颗粒。它还配备用于切割气凝胶和提取颗粒的设备，将收集到的样本处理后送到世界各地的实验室进行后期分析。这个实验室的洁净度达到100 级，在同一栋建筑内，收藏着美国宇航局的各种天体材料，包括平流层尘埃颗粒、南极陨石、月球岩石和太阳风样本。所谓100 级，就是每立方英尺的空气中不存在超过100 个大于0.5 微米的颗粒。相比之下，医院手术室的洁净度只有10000 级（每立方英尺空气中不超过10000 个这样的颗粒）。

气凝胶打开的时候，还要用监测无挥发性残留物的手段来监测环境。不进行检查时，就要把样品储存在干净、干燥的氮气中。★