阿爾法磁譜儀：導論與科研

SL888

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阿爾法磁譜儀（又譯反物質太空磁譜儀，簡稱AMS）於2011年被放置到國際空間站（ISS）


穿越輻射探測器（Transition Radiation Detector）能檢測高能粒子的速度；硅追蹤器（Silicon Trackers）用於追蹤粒子的運動軌跡，軌跡的彎曲程度顯示了粒子的電荷；永磁鐵（Permanent Magnet）是阿爾法磁譜儀的核心部件，能令粒子軌跡彎曲；飛行時間計算器（Time-of-flight Counters）能計算低能粒子的速度；星體追蹤器（Star Trackers）能掃瞄星域，以確定阿爾法磁譜儀在太空中的朝向；切倫科夫探測器（Cerenkov Detector）可精確計算快速通過的粒子速度；電磁量能器（Electromagnetic Calorimeter）用於計算影響粒子運行所需的能量；反符合計數器（Anti-coincidence Counter）可將幹擾粒子過濾出去。


在宇宙的遙遠天體之間，引力的作用並不能解釋天文學家看到的一切，如果只有這些天體的引力，那各個星系應該處於分崩離析的狀態，因此在各個星系之間，還存在把它們聯接在一起的物質。天體物理學家將這種理論中的物質稱為“暗物質”，我們看不見它們，但它們確實在星系間起著作用。在最大的距離尺度上，宇宙正在加速擴張。因此我們更需要關注與引力作用截然不同的暗物質。目前的理論估計，宇宙的73%為暗能量，23%為暗物質，而只有4%是我們已知的物質。

據國外媒體報導，作為人類在太空中進行的最為昂貴的實驗，阿爾法磁譜儀(簡稱AMS)項目即將向地球發送回首批觀測數據。這個大型的實驗裝置被放置在國際空間站上，用於探測宇宙射線及高能粒子。

諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中稱，將於未來幾週內發表涉及暗物質的研究論文。阿爾法磁譜儀項目最初便是由丁肇中提議開始。在宇宙中，正是那些我們看不見的暗物質將各個星系聯接在一起。研究者並不瞭解這些謎一般的宇宙物質如何構成，但有理論提出，大質量弱相互作用粒子(簡稱WIMP)是暗物質最有希望的候選者，這是一種尚處於理論階段的粒子。

雖然天文望遠鏡無法探測到大質量弱相互作用粒子，但阿爾法磁譜儀很有希望通過間接的方法來確認其存在，並描述它的性質。即將刊出的研究論文(發表期刊還未確定)將對這項研究的進展作詳細闡述。

丁肇中在麻省理工學院任物理學教授，他在20世紀90年代中期提出的這個項目如今到了一個重要的里程碑時刻。“我們等待了18個月來寫這篇論文，如今到了最後審視的階段，”丁教授在波士頓的一次美國科學促進會(AAAS)的年會上發言道，“我預計在未來兩到三週內，我們就能發佈研究成果。我們一共有六個分析小組對相同的數據結果進行分析。如你所知，每個物理學家都有他們自己的見解，我們現在要保証每個人都能同意彼此的觀點。這項工作現在已經完成得差不多了。”

20億美元的機器：“探索未知”
2011年，造價20億美元的阿爾法磁譜儀搭載奮進號航天飛機前往國際空間站，這也是奮進號的最後一次任務。阿爾法磁譜儀重達7噸，擁有一個巨大的特製超導磁鐵，能使落在它上面的粒子軌跡發生彎曲。

粒子的彎曲軌跡顯示了它的電荷，再通過一系列的探測器對粒子的質量、速度和能量等進行分析，科學家便能準確知道捕獲的是什麼粒子。據丁肇中教授稱，在阿爾法磁譜儀運行的最初18個月中，已經探測了250億次粒子事件。

暗物質和暗能量之謎
在這些粒子事件中，有近80億次是快速運動的電子及與其對應的反物質──正電子。理論上，大質量弱相互作用粒子的碰撞和湮滅會產生大量電子和正電子。通過測定二者的比例，以及在能量譜上的行為變化，科學家或許能找到研究暗物質問題的途徑。

“在對正電子和電子的觀測中，如果發現二者比例突然上升然後急劇下降，那就是星系中暗物質湮滅的關鍵標誌，”芝加哥大學卡弗里宇宙學研究所的邁克爾‧特納(Michael Turner)教授說，“在能量體系中也要考慮，是否具有各向異性？正電子是從固定的某個方向還是從所有方向出現？”

特納教授並未參與阿爾法磁譜儀的合作項目。他繼續說道：“暗物質應該無所不在。因此如果我們發現正電子從某個特定的方向發出，就意味著該信號是來自像脈衝星(一種中子星)一類的天體，而不是暗物質。”據悉，此次阿爾法磁譜儀的數據涉及的是0.5至350GeV(10億電子伏特)質量範圍內的正電子─電子比例。這一範圍已經是其他實驗中，科學家認為可能發現暗物質的上限。

特納教授說，科學家已經逐漸接近了目標。他預測未來數年將會被銘記為“大質量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”，而且通過一系列的研究，包括利用大型強子對撞機製造WIMP等，暗物質的性質將逐漸呈現在我們面前。

“理論上，這種粒子的質量大約在質子質量的30、40和300倍之間，即在30至大約1000GeV之間，”特納教授說，“大型強子對撞機能夠製造這樣質量的粒子，丁肇中的阿爾法磁譜儀能探測到這樣質量的粒子湮滅，而位於深地底的探測器對這樣質量的粒子也非常敏感。如果非常幸運的話，我們能同時獲得有關暗物質的三個特徵信號，分別是通過觀測粒子湮滅、直接探測粒子以及用大型強子對撞機製造粒子，這三種方法在同樣的質量範圍內都很靈敏。”

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太陽底部的兩個黑點，即太陽黑子在2月19日和20日迅速形成。這兩個黑子是相同系統的一部分，該系統的直徑超過地球6倍

據國外媒體報導，美國宇航局宣佈，一個直徑至少是地球6倍的巨大太陽黑子已經在48小時內形成。

太陽黑子是太陽表面的黑色斑點，當太陽表面的磁場出現重新排列和調整時，就會出現這種情況。19日和20日形成的這個巨大黑子迅速演變成一個不穩定的結構，它很有可能會導致太陽耀斑爆發，對我們的無線電通訊產生幹擾。美國宇航局的科學家借助該局的太陽動力學天文台上的儀器，發現這個正在形成中的巨大黑子。該天文台是用來監控太陽上的天氣情況的幾艘飛船之一。美國宇航局的發言人克倫-福克斯說：“在2013年2月19到20日的這段時間里，科學家觀測到一個巨大的黑子已形成。它的直徑已經增長到超過地球的6倍，但是它的實際大小還很難確定，因為這個斑點位於一個不是扁平圓盤的範圍內。”

這個由美國宇航局確定的黑子是由太陽表面的幾個黑斑形成的，在19日和20日這兩天里它們迅速演變成一個巨型太陽黑子。太陽黑子是由強磁場活動引起的，這些地方的溫度往往比太陽表面的其他地方更低，這讓它們看起來像是光球里的黑斑。事實上，如果太陽黑子與周圍的光球隔開，它會比電弧更加明亮。福克斯說：“這個太陽黑子迅速演變成‘三角洲(delta region)’，在這裏，太陽黑子周圍更明亮的區域，即半影區的磁場方向與中心暗區的磁場方向正好相反。科學家明白，這種不穩定的結構有可能會導致太陽上輻射爆發，即太陽耀斑。”

這些觀測資料是在太陽正在進入為期11年的太陽週期中的最活躍期時收集到的。這段時間太陽磁場線變形最為嚴重，這是因為太陽赤道的磁場正在以比太陽兩極稍微更快的速度旋轉。這種情況導致大量黑子出現，太陽的輻射輸出增加大約0.1%。太陽能量輸出的最大值增加會對全球氣候產生影響，當前的研究已經顯示出它與區域氣候模式的互動關係。從一個太陽活動極大期(solar maximum)到下一個極大期的太陽週期平均是11年， 但是曾觀測到最短的只有9年，而最長的長達14年。大規模太陽耀斑常在極大期發生。例如，1859年太陽風暴襲擊地球，南至羅馬都能看到明亮的北極光。

最後一次太陽活動極大期發生在2000年。2006年，美國宇航局最初認為2010年或者2011年將會再次進入極大期，並認為這將是1958年至今最強的一次。然而最新推測認為，一次太陽活動最大期應該在2013年秋季到來，這將是自1906年至今出現的最小的太陽黑子循環。


荷蘭科學家近期開發出一項新技術，該技術將有望讓科學家們首次具有探測系外行星大氣中生命信號的能力

據國外媒體報導，一個荷蘭科學小組最近的研究結果証明，在裝備了新型望遠鏡之後，我們將有可能探測到圍繞其它恆星運行的系外行星上的生命信號。

儘管即便是除去太陽之外距離我們最近的恆星也在4.2光年之外，然而生命活動產生的物質會在其大氣中表現出來從而被我們檢測到，這種信號就被稱作“生物標記氣體”。這種想法自從上世紀60年代開始便已經出現，而現在它將得到最新型望遠鏡觀測技術的支援，這種新型望遠鏡的核心思想是使用成本相對低廉的地基通量收集望遠鏡實現對系外行星大氣中氧信號的高解像度觀測。有關該項研究的論文將發表在2月20日出版的《天體物理學》雜誌上。

有關對於圍繞其它恆星運行的行星，即所謂系外行星的觀測有朝一日將有可能揭示生命存在信號的想法數十年之前便已經存在。地球大氣層中大約1/5的成分是氧氣，之所以會出現如此大量的氧，是因為地球上的生命活動，也就是植物進行的光合作用。如果沒有植物源源不斷地通過光合作用向大氣中輸送補充氧氣，地球大氣中的氧氣成分會很快耗盡，因為自然界不斷進行的大量化學反應都需要氧氣的參與。如果我們能在一顆太陽系以外類地行星的大氣中檢測出氧氣成分，那麼這就極有可能說明這顆行星上存在生命現象。

由於要對系外行星大氣進行觀測是極具挑戰性的，因此直到最近，人們一直認為要開展這樣的觀測只有可能依靠發射空間望遠鏡，因為從地面上進行觀測，去搜尋遙遠系外行星大氣中的氧氣信號將會受到地球自身大氣中的氧氣和臭氧分子信號的極大幹擾。然而美國和歐洲原計劃發射執行此類計劃的望遠鏡，如美國宇航局的類地行星發現者(TPF)以及歐洲空間局的達爾文望遠鏡都已經先後被取消了。在這種局面下，繼續指望利用空間望遠鏡執行相關的觀測計劃已經不切實際，預計在未來25年內鬥不會有類似的計劃被執行。

而現在，一組來自荷蘭萊頓大學和SRON荷蘭空間研究所的科學家們証明了，我們並不一定需要進入太空也能開展這樣的研究。在此過程中所需要用到的一項技術在近期的測試中得到了很好的結果。

本研究第一作者伊格那斯‧斯奈倫(Ignas Snellen)表示：“區分地球本身大氣中的氧分子信號以及來自遙遠系外行星大氣中可能存在的氧氣信號的方法是仔細分析對比其吸收線。”

他說：“由於系外行星相對地球存在的相對運動，來自系外行星大氣中氣體的吸收線會呈現極細微的多普勒效應，如果使用精度足夠高的設備，這種差異是可以被測量出來的。”

這樣一來，進行此類研究便不再需要將望遠鏡送入太空，從而節約了一個數量級的經費開支。近期，科學家們利用設在南美洲智利的歐洲南方天文台甚大望遠鏡(VLT)對這項技術進行了測試。科學家們對一顆木星大小的，距離其母恆星距離非常近的系外行星進行了觀測，結果在其大氣層中檢測出了一氧化碳成分。

研究小組認為，一顆和地球大小相類似的系外行星大氣中，其顯示的氧氣信號在一顆紅矮星光芒的背景上對比起來，其強度大約只會比此前在圍繞牧夫座T周圍木星大小的系外行星大氣中檢測出的一氧化碳信號弱3倍左右。所謂紅矮星是一種溫度比太陽低得多，質量也要比太陽小得多的恆星類型，在這一案例中，所採用的紅矮星質量值約為太陽的1/5。這類紅矮星的亮度相比牧夫座T要闇弱數百倍，因此我們需要更大型的望遠鏡。

研究小組成員拉姆科‧科克(Remco de Kok)表示：“歐洲的下一代大型望遠鏡，即歐洲-極大望遠鏡(E-ELT)，其在這方面的觀測能力將比現在的歐洲甚大望遠鏡高出25倍。”他說：“如果類地行星較為常見並且距離我們較近，那麼使用這台設備就有可能探測到其大氣中可能存在的氧氣分子信號──當然，要想做到這一點我們還需要有很好的運氣，或許即便是這樣級別的先進望遠鏡仍然不足以達成這樣的目標。”

因此研究小組建議將精力投入到通量收集望遠鏡的開發之中去。斯奈倫表示：“對於恆星和系外行星的光譜觀察，我們並不一定需要那麼清晰的成像。重要的是要收集儘可能多的光線，這樣一來，在成像精度要求不高的情況下我們便可以使用等級稍低的望遠鏡鏡面來開展工作，從而節省大量經費。”他說：“假如能構建一套占地面積約合幾個足球場面積相當的集光望遠鏡設備，我們就將有可能開展針對太陽系附近系外行星的天體生物學研究工作。儘管仍然前路漫漫，但在未來的25年之內我們將有可能達成這一目標。”

combo

阿爾法磁譜儀太深奧

SL888

combo 發表於 2013-2-27 01:14

                               
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阿爾法磁譜儀太深奧

Yes, it is the sophisticated concept and equipment of the space museum in NASA

shotgun

第一次聽聞

tomchan.us

嘩呢Ｄ嘢我唔識喎

弓長張

一個黑点直徑地球六倍
太陽大到難以想像

NIGHTMOVES

對呢方面沒有研究~謝謝~Z370 C.兄介紹

andyy

唔睇都唔知係乜

Girlhunter888

Z370 發表於 2013-2-27 00:58

                               
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太陽底部的兩個黑點，即太陽黑子在2月19日和20日迅速形成。這兩個黑子是相同系統的一部分，該系統的直徑超 ...

一個黑點都咁大 架 !!!

devilevano1

太空科技真的很深奧

cheong141

又識多樣野

之琳

支持論壇，加油

dingdum

Z370 發表於 2013-2-27 00:58

                               
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太陽底部的兩個黑點，即太陽黑子在2月19日和20日迅速形成。這兩個黑子是相同系統的一部分，該系統的直徑超 ...

好深奧的, 這還是人類未知曉的境界

爬山狗

正反物質和暗物質的關係真是撲朔迷離.有排研究.

gooseling

The global warming recently may be related to the Solar activity.

米線湯鍋

謝謝師兄分享