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>