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        “星塵號(hào)”采樣:迎風(fēng)“撈”粒子

        2021-10-27 01:42:56李晨風(fēng)
        太空探索 2021年10期

        文/ 李晨風(fēng)

        天文學(xué)家們?cè)缇椭?,彗星的彗尾是非常稀疏的物質(zhì),但是體積極為巨大。組成彗尾的到底是什么,科學(xué)界一直無(wú)法確認(rèn)。1999年,美國(guó)宇航局發(fā)射了星塵號(hào)探測(cè)器,在7年時(shí)間中共繞太陽(yáng)3 圈,從彗尾中收集了一點(diǎn)點(diǎn)顆粒物資。雖然數(shù)量極為稀少,但是具有的科學(xué)價(jià)值,卻是無(wú)法替代的。

        ▲ “星塵號(hào)”采樣機(jī)構(gòu)的展示模型

        B 面用完用A 面

        “星塵號(hào)”的出征是相當(dāng)?shù)驼{(diào)的。因?yàn)榻?jīng)費(fèi)不多,所以要選擇盡量節(jié)省的軌道方案。用來(lái)發(fā)射“星塵號(hào)”的,是即將退役的德?tīng)査? 號(hào)火箭,精心計(jì)算的軌道既能保證有效穿過(guò)彗尾,又能用德?tīng)査? 號(hào)火箭來(lái)送入太空,代價(jià)是飛行時(shí)間比較長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的飛行,“星塵號(hào)”在2000年1月終于來(lái)到了火星和木星軌道之間,這是它的遠(yuǎn)日點(diǎn)。“星塵號(hào)”的發(fā)動(dòng)機(jī)這時(shí)候啟動(dòng),改變軌道向自己的近日點(diǎn)前進(jìn)。

        從2002年8月開(kāi)始,“星塵號(hào)”開(kāi)始收集空間粒子,這個(gè)過(guò)程一直延續(xù)到2002年12月。這個(gè)收集過(guò)程使用的是收集裝置的“B”面,“A”面還沒(méi)有用上。

        2003年12月31日,“星塵號(hào)”進(jìn)入懷爾德2 彗星的彗發(fā),這是圍繞著彗星核心的巨大塵埃和氣體云。2004年1月2日,美國(guó)東部時(shí)間14點(diǎn)40 分,“星塵號(hào)”在240 千米的距離上飛過(guò)懷爾德2 號(hào)彗星的核心。捕獲彗尾顆粒就要用上A 面了。A 面也叫做“彗星捕集器手套”,是一個(gè)長(zhǎng)得很像網(wǎng)球拍的東西,實(shí)際有效收集面積只有1000 平方厘米,不到兩張A4 紙大小,里面裝滿了純二氧化硅制成的氣凝膠。它的密度只有玻璃的千分之一,所以既能減緩和捕獲粒子,又不會(huì)改變它們的形態(tài)。

        在整個(gè)捕捉過(guò)程中獲取的數(shù)據(jù)立刻傳回了地面,給人們帶來(lái)了完全不同的現(xiàn)場(chǎng)感。任務(wù)小組最初預(yù)計(jì),當(dāng)探測(cè)器進(jìn)入彗發(fā)時(shí),粒子數(shù)量會(huì)均勻增加,離開(kāi)時(shí)粒子數(shù)量會(huì)減少。實(shí)際上,數(shù)據(jù)顯示,“星塵號(hào)”先是穿過(guò)了一個(gè)真正的粒子群,之后經(jīng)歷了一片幾乎沒(méi)有任何東西的空白區(qū),然后又遇上了另一個(gè)粒子群。數(shù)據(jù)表明,當(dāng)它穿過(guò)粒子群時(shí),至少有10 次粒子撞擊探測(cè)器屏蔽層的現(xiàn)象發(fā)生。撞擊速度差不多是每秒6.1千米。

        ▲ “星塵號(hào)”團(tuán)隊(duì)獲得當(dāng)年大獎(jiǎng)

        在搜集宇宙粒子的同時(shí),“星塵號(hào)”還拍攝了不少懷爾德2號(hào)彗核的圖像。人們從照片上看到了陡峭的懸崖、房子大小的巨石、尖峰、坑壁幾乎垂直的隕石坑等。這顆彗星上還有巨大的侵蝕凹陷,某些區(qū)域已經(jīng)侵蝕到100米或更深處。彗星上還有20 多條活躍的噴流、局部熱點(diǎn),向太空噴射著氣體和塵埃。

        在彗發(fā)中的采樣持續(xù)了6 個(gè)小時(shí),然后樣品被密封在返回艙里,直到2006年1月返回地球。

        ▲ 采樣后的氣溶膠特寫

        ▲ 返回地球的“星塵號(hào)”樣品艙

        ▲ 顯微鏡下看到的“星塵號(hào)“樣品

        世上最輕的固體——?dú)饽z

        氣凝膠最初是由北加利福尼亞太平洋學(xué)院的一名研究人員于1931年發(fā)明的。先把二氧化硅和液體混合物放在模具中,然后加熱去掉液體,就得到了氣凝膠。為了給太空采樣活動(dòng)提供氣凝膠收集器,美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室親自動(dòng)手研制了宇航級(jí)的產(chǎn)品。氣凝膠看起來(lái)像固化的淡藍(lán)色煙霧,它是已知密度最小的固體。在“星塵號(hào)”之前,已經(jīng)有8 架次航天飛機(jī)攜帶氣凝膠收集器進(jìn)入太空。氣凝膠還被用在火星漫游車上充當(dāng)輕質(zhì)隔熱材料。

        現(xiàn)在來(lái)看“星塵號(hào)”。我們已經(jīng)知道,粒子被“星塵號(hào)”捕獲時(shí)的相對(duì)速度是每秒6.1 千米。如果這是一顆子彈,已經(jīng)足夠把厚厚的鋼板打個(gè)窟窿,并且讓自己完全汽化,物理化學(xué)性質(zhì)完全改變,失去科學(xué)價(jià)值。當(dāng)然,彗發(fā)粒子沒(méi)有那么大的動(dòng)能,所以當(dāng)它沖進(jìn)氣凝膠時(shí),會(huì)被材料輕輕地夾住,逐漸減速停止。這個(gè)過(guò)程會(huì)在氣凝膠中形成一條胡蘿卜形的軌跡,其長(zhǎng)度可達(dá)粒子自身長(zhǎng)度的200 倍。為“星塵號(hào)”任務(wù)制造的氣凝膠具有極高的透明度,所以,通過(guò)尋找這種胡蘿卜狀的軌跡,就可以在它的末端找到一個(gè)粒子。當(dāng)然,這項(xiàng)工作也不是用肉眼就能完成的,而是要?jiǎng)佑蔑@微鏡。

        氣凝膠能夠收集到的顆粒,大小在小于1 微米到近1 毫米。大部分科學(xué)分析將致力于研究15 微米大小的粒子。因?yàn)闃悠穼氋F,操作起來(lái)極為小心,可能要研究數(shù)年才有結(jié)果。

        ▲ 氣凝膠采樣盤的一面

        ▲ “星塵號(hào)”樣品艙開(kāi)艙

        ▲ 氣溶膠采樣器被密封在上蓋里

        ▲ 顯微鏡下看到的空間粒子穿透氣凝膠痕跡

        ▲ 中間的一塊氣凝膠被空間粒子擊中

        其實(shí)“星塵號(hào)”粒子收集器的A 面和B 面基本一樣。每一面都裝著130 塊矩形的氣凝膠,單個(gè)尺寸為2×4 厘米,外加兩塊稍小的菱形塊。但是A 面和B 面厚度不同。用于收集彗星粒子的A 面氣凝膠厚度為3 厘米,用于星際粒子收集的B 面氣凝膠厚度為1 厘米。而且這些氣凝膠的密度并不是均勻的,外側(cè)密度較低,越向里密度越大。收集器使用的時(shí)候翻起,采集完成后向下折疊,收納到返回艙中。

        粒子的“新家”

        “星辰號(hào)”返回艙于2006年1月15日凌晨2 點(diǎn)57 分到達(dá)距離地球表面125 千米的高度開(kāi)始再入,之后安全著陸。

        “星塵號(hào)”的返回艙并不大,質(zhì)量只有43 千克,所以在回收和運(yùn)輸過(guò)程中都不需要什么特殊設(shè)備,設(shè)計(jì)一個(gè)專門的搬運(yùn)夾具就可以。搬運(yùn)過(guò)程甚至連吊車都用不上,3 名壯漢摳住隔熱板的邊緣就能把它舉起來(lái),擦干凈之后抬到直升飛機(jī)上就行。其中的風(fēng)險(xiǎn),無(wú)非是返回艙表面還比較熱,需要帶上防護(hù)手套。

        此后的工作就要小心翼翼了。為了開(kāi)箱取出樣品,必須設(shè)置一個(gè)臨時(shí)潔凈室。取出樣品罐之后,要立刻連接到凈化系統(tǒng)上。這個(gè)系統(tǒng)會(huì)向氣凝膠盒子不斷輸入恒定流量的超純氣態(tài)氮,然后把所有設(shè)備空運(yùn)到美國(guó)宇航局約翰遜航天中心。

        約翰遜航天中心有一個(gè)專門為“星塵號(hào)”樣本處理設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室,可以對(duì)氣凝膠進(jìn)行光學(xué)掃描,找到捕獲的顆粒。它還配備用于切割氣凝膠和提取顆粒的設(shè)備,將收集到的樣本處理后送到世界各地的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后期分析。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的潔凈度達(dá)到100 級(jí),在同一棟建筑內(nèi),收藏著美國(guó)宇航局的各種天體材料,包括平流層塵埃顆粒、南極隕石、月球巖石和太陽(yáng)風(fēng)樣本。所謂100 級(jí),就是每立方英尺的空氣中不存在超過(guò)100 個(gè)大于0.5 微米的顆粒。相比之下,醫(yī)院手術(shù)室的潔凈度只有10000 級(jí)(每立方英尺空氣中不超過(guò)10000 個(gè)這樣的顆粒)。

        氣凝膠打開(kāi)的時(shí)候,還要用監(jiān)測(cè)無(wú)揮發(fā)性殘留物的手段來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境。不進(jìn)行檢查時(shí),就要把樣品儲(chǔ)存在干凈、干燥的氮?dú)庵??!?/p>

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