Organizacja | Współpraca z AMS |
---|---|
Pole | Promieniowanie kosmiczne |
Status | Operacyjny |
Uruchomić | 16 maja 2011 |
Wyrzutnia | Space Shuttle Endeavor |
Trwanie | 10 lat (pierwotna misja) |
Dożywotni | 10 do 19 lat |
Teren | Oficjalna strona AMS-02 |
Msza podczas startu | ~ 8,5 tony |
---|---|
Energia elektryczna | 2 do 2,5 kW |
Orbita | Niski naziemny |
---|
Alpha Magnetic Spectrometer (angielski: Alpha Magnetic Spectrometer ) lub AMS-02 jest eksperymentem w dziedzinie fizyki cząstek zainstalowanych na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej od 2011 roku . Gromadzi on wokół magnesu o dużej mocy zestaw detektorów, które powinny umożliwić scharakteryzowanie cząstek i antycząstek promieniowania kosmicznego . Gromadząc obserwacje w czasie, eksperyment ten może dostarczyć odpowiedzi na fundamentalne pytania zadawane w ostatnich latach przez fizykę , takie jak natura ciemnej materii i obfitość antymaterii w naszym Wszechświecie . Zbieranie danych planowane jest przez cały okres istnienia Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, ale pierwsze wyniki opublikowano wkwiecień 2013 zdają się potwierdzać najczęstsze teorie dotyczące istnienia ciemnej materii.
Spektrometr magnetyczny Alpha to instrument zaprojektowany, aby odpowiedzieć na fundamentalne pytania dotyczące Wszechświata i jego pochodzenia poprzez badanie czterech rodzajów cząstek i promieniowania. Charakterystyka instrumentu i jego umiejscowienie w przestrzeni dają mu możliwości:
W 1995 roku amerykański fizyk Samuel Ting , laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki 1976 i członek Massachusetts Institute of Technology (MIT), zaproponował NASA , po anulowaniu amerykańskiego projektu akceleratora cząstek ( Superconducting Super Collider - SSC ), zainstalować na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przyrząd do pomiaru antymaterii obecnej we Wszechświecie. Musi to analizować promieniowanie kosmiczne, które jest w dużej mierze przechwytywane przez ziemską atmosferę i dlatego może być obserwowane tylko pośrednio z ziemi. W kosmosie przewidywany instrument, o dużej wrażliwości, musi mieć wyjątkowe możliwości. Propozycja Tinga została zaakceptowana przez amerykańską Agencję Kosmiczną ( NASA ), która poszukuje zastosowań naukowych dla Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ting zostaje mianowany kierownikiem naukowym projektu. Instrument wykorzystuje technologie już zaimplementowane w fizyce wysokich energii, w eksperymentach fizyki jądrowej i fizyki cząstek elementarnych oraz w astrofizyce . Jest to jednak pierwszy spektrometr magnetyczny wysłany w kosmos, co nakłada wiele ograniczeń na jego konstrukcję.
Opracowywany jest prototyp, nazwany AMS-01 , implementujący uproszczoną wersję detektorów końcowego instrumentu. Wczerwiec 1998Przyrząd jest na pokładzie w ramach STS-91 misji z promu kosmicznego Discovery . Celem tej misji jest walidacja wykorzystania w kosmosie technologii, które mają być wykorzystane przez ostateczny instrument AMS-02 oraz zbadanie ich zachowania. Ten 12-dniowy lot przynosi naukowe żniwa i pozwala odkryć istnienie pasa kosmicznych cząstek wokół równika geomagnetycznego na wysokości 400 km . Dane zebrane podczas tego lotu są przedmiotem kilkunastu publikacji naukowych . Podczas przebywania w przestrzeni urządzenie nie wykrywa jądra antymaterii (antyhelu), co pozwala określić, że stosunek antyhel/hel jest mniejszy niż 1,1 10 -6 .
Po opracowaniu AMS-01 , Ting rozpoczyna prace nad ostatecznym instrumentem nazwanym AMS-02 . W projekt, którym kieruje Departament Energii Stanów Zjednoczonych, zaangażowanych jest ponad 500 naukowców z 56 instytucji z 16 krajów . Oprócz Stanów Zjednoczonych, które odgrywają kluczową rolę, zaangażowane są instytuty badawcze z następujących krajów: Niemcy , Hiszpania , Finlandia , Francja , Holandia , Włochy , Portugalia , Szwajcaria , Chiny i Tajwan . AMS-02 pierwotnie zawierał kriogeniczny nadprzewodzący magnes działający w wysokiej mocy 1,8 Kelvina (około 20 000 razy większe od pola magnetycznego Ziemi ). Tak wyposażona jego wydajność powinna pozwolić na poprawę precyzji dotychczasowych pomiarów o współczynnik od stu do tysiąca.
Chociaż rozwój jest bardzo zaawansowany, w magnesie nadprzewodzącym odkryto źródło nieprawidłowego ogrzewania. Nie znaleziono jasnego wyjaśnienia tego zjawiska. Grozi to skróceniem planowanej trzyletniej żywotności przez spowodowanie szybszego niż oczekiwano odparowania 2500 litrów nadciekłego helu używanego do utrzymywania magnesu w temperaturze niezbędnej do przeprowadzenia eksperymentu. Przy krótszej żywotności magnes nadprzewodzący w dużej mierze traci swoją przewagę. Konsekwencja ta ułatwi jego porzucenie na rzecz klasycznego magnesu zastosowanego w prototypie AMS-01 . Prezydent USA Barack Obama na początku swojej kadencji postanawia przedłużyć okres eksploatacji Międzynarodowej Stacji Kosmicznej z 2015 do 2020 roku. To prowadzi zespół projektowy do definitywnego wyboru klasycznego magnesu, ponieważ jego żywotność powinna wynosić od 10 do 19 lat , zamiast planowanych 3 lat dla magnesu nadprzewodzącego, znacznie większa ilość uzyskanych danych pozwala zrekompensować utratę czułości w porównaniu z rozwiązaniem alternatywnym.
Po udanej ucieczce AMS-01 , koszty rozwoju AMS-02 szacuje się na US $ 33 mln do wdrożenia w roku 2003. Ale trudności w rozwoju ostatniego dokumentu, jak również opóźnienia wzrostu projektu jego koszt to 1,5 miliarda dolarów. Ten wzrost kosztów był przedmiotem ostrej krytyki, gdy projekt był bliski anulowania.
Przez kilka lat wynik projektu AMS-02 pozostawał niepewny. Rzeczywiście, zniszczenie promu kosmicznego Columbia w 2003 roku przybiło promy kosmiczne do ziemi na dwa i pół roku. Po tym wypadku władze amerykańskie zdecydowały o wycofaniu ze służby w 2010 r. wahadłowców uznanych za zbyt niebezpieczny system transportu kosmicznego. W konsekwencji odwołano pewną liczbę zaplanowanych lotów wahadłowych, w tym ten, który miał przewozić AMS-02 . W 2006 roku NASA próbowała znaleźć alternatywne rozwiązanie, aby przenieść instrument na orbitę, ale wszystkie zbadane rozwiązania transportowe okazały się zbyt drogie. Poprawka do budżetu NASA o lot wahadłowca kosmicznego przeznaczony do transportu AMS-02 została zaproponowana w połowie 2008 roku i ostatecznie uchwalona przez Kongres Stanów Zjednoczonych, a następnie zatwierdzona przez amerykańskiego prezydenta George'a W. Busha .15 października 2008.
20 maja 2011, AMS-02 jest zainstalowany na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (English: Międzynarodowej Stacji Kosmicznej lub ISS ) podczas misji STS-134 z promu kosmicznego Endeavour . Instrument jest zainstalowany na belce Międzynarodowej Stacji Kosmicznej o długości 108 metrów, która służy jako wsparcie dla paneli słonecznych , grzejników systemu regulacji termicznej i różnego sprzętu naukowego Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Oś detektora jest nachylona o 10° od pionowej osi Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, aby cząstki wchodzące w stożek czułości instrumentu nie przechodziły przez panele słoneczne. AMS-02 musi działać do końca życia Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, co może nastąpić około 2030 roku.
W kwietniu 2017 r. , kiedy przyrząd AMS-02 podwoił już planowaną żywotność wynoszącą 3 lata, zepsuła się pierwsza z czterech pomp krążących w obiegu płynu ciepłonośnego w obwodzie regulacji temperatury . Ta awaria wpływa na inne pompy jedna po drugiej ilistopad 2019jedyna nadal działająca pompa pracuje tylko z przerwami. Jednak AMS-02 nie może funkcjonować bez układu regulacji termicznej. Przyrząd nie jest przeznaczony do przeprowadzania operacji konserwacyjnych w kosmosie, ale NASA rozpoczyna pracę tak szybko, jaklistopad 2015opracowanie procedur wykonywania naprawy w locie. Agencja kosmiczna opracowuje kompleksowy plan naprawy. Wiąże się to z wieloma trudnościami: nie ma poręczy ani podnóżka, aby astronauta mógł się upewnić, niektóre nakrętki nie są zaprojektowane do odkręcania w przestrzeni lub do obsługi. Za pomocą dostępnych narzędzi obwody nie są zaprojektowane do osuszone bez ryzyka w kosmosie, niektóre rurki muszą zostać przycięte, tworząc części, które mogą przebić skafandry kosmiczne . Aby przeprowadzić naprawę, NASA opracowuje 25 nowych narzędzi i planuje cztery spacery kosmiczne dla załogi, aby dokonać przeglądu instrumentu AMS-02 . Podczas pierwszego wyjścia, które odbywa się w dniu15 listopada 2019 r.i która trwa 6:39, astronauci Andrew R. Morgan z NASA i Luca Parmitano z Europejskiej Agencji Kosmicznej usuwają powłokę, która pokrywa AMS-02 i chroni go przed kosmicznym śmieciem . Ta powłoka, która nie jest przeznaczona do przechowywania na belce w oczekiwaniu na ewakuację w jednym z pojazdów kosmicznych i nie może zostać zabrana do śluzy ze względu na swoją wielkość, jest zrzucana w przestrzeń kosmiczną. Ze względu na swój stosunek powierzchni do masy, musi bardzo szybko stracić wysokość i zostać zniszczony przez ponowne wejście w atmosferę . 22 listopada 2019 r., podczas drugiej wyprawy trwającej 6,33 godziny astronauci NASA Andrew R. Morgan i Luca Parmitano kończą usuwanie elementów wyściółki, która została zdjęta podczas poprzedniej wyprawy, wycinają 6 rurek z obwodów regulacji termicznej i usuwają dwutlenek węgla, który służy jako płyn przenoszący ciepło i modyfikować system zasilania elektrycznego. W nadchodzących tygodniach ci sami astronauci muszą odbyć dwie inne zaplanowane wycieczki, aby dokończyć naprawę.
Przyrząd mierzy charakterystykę cząstek o wysokiej energii przechodzących przez przestrzeń.
Do wykonywania pomiarów AMS-02 wykorzystuje magnes o mocy 0,15 tesli generujący pole magnetyczne 3000 razy większe od ziemskiego. Ma on postać walca o średnicy 1,105 metra i wysokości 0,8 metra. Składa się z 6000 kawałków stopu neodymowo - żelazowo - borowego połączonych ze sobą i namagnesowanych. Magnes ten był wcześniej używany przez prototyp AMS-01 . Magnes oddziela cząstki i antycząstki, które mają przeciwny ładunek elektryczny, zmieniając ich trajektorię w przeciwnych kierunkach. Kształt trajektorii cząstek odchylanych przez magnes umożliwia pomiar ich pędu .
Około dziesięciu detektorów jest używanych do identyfikacji cząstek, które docierają do instrumentu. Najważniejsze z nich to:
Detektor TRD ( Transition Radiation Detector ) jest pierwszym detektorem, przez który przechodzą cząstki. Umożliwia rozróżnienie cząstek po ich masie, których inne instrumenty nie mogą rozróżnić z powodu ich prędkości zbliżonej do prędkości światła . Rzeczywiście, stosując prawo szczególnej teorii względności, cząstki takie jak proton i elektron , których masa w spoczynku jest w stosunku jeden do 2000, mają pęd bliski tej prędkości. Jednak główne detektory, w szczególności tracker , identyfikują cząstki za pomocą tych danych. Przyrząd TRD jest czuły na stosunek energii do masy, który pozostaje bardzo różny dla elektronu i odpowiadającej mu antycząstki, pozytonu z jednej strony i protonu (i antyprotonu ) z drugiej. TRD służy do identyfikacji elektronów, a zwłaszcza pozytonów, wśród innych padających cząstek. Opiera się na analizie promieniowania przejściowego emitowanego przez naładowaną cząstkę, gdy przechodzi ona przez niejednorodny ośrodek, taki jak nakładanie się warstw różnych materiałów. Instrument składa się z 328 modułów pogrupowanych w 20 warstw. Każdy moduł składa się z warstwy tworzywa sztucznego o grubości 20 mm , po której znajduje się 16 detektorów w kształcie słomy wypełnionych mieszaniną ksenonu (80%) i CO² (20%). Kiedy elektron lub pozyton przechodzi przez kolejne warstwy plastiku i próżni, wyzwala emisję promieniowania rentgenowskiego, podczas gdy proton lub antyproton nie. AMS-02 posiada zbiorniki ksenonowe (40 kg ) i CO2 (2 kg ) służące do utrzymywania stosunku obu gazów z dokładnością do 1% oraz usuwania zanieczyszczeń poniżej zadanego progu.
Urządzenie śledzące do krzemu ( tracker ) mierzy drogę cząstki odchylonej przez magnes 8, określając jej punkty przecięcia. Umożliwia to obliczenie krzywizny jego trajektorii. Przy tym samym ładunku elektrycznym lżejsza cząstka ma większy promień krzywizny. Ten instrument służy do odróżniania materii od antymaterii. Tracker składa się z 2,264 dwustronnego czujnika krzemu reprezentujących wrażliwą powierzchnię 6,2 m 2 .
ECAL kalorymetr ( kalorymetru elektromagnetyczna ) oddziela pozytrony i protony . Mają one ładunek elektryczny i identyczny znak, ale pozyton jest 2000 razy lżejszy. Proton i pozyton po przejściu przez detektor ECAL wywołują deszcz elektromagnetyczny o bardzo różnych właściwościach.
Detektor obrazowania pierścienia Cherenkov RICH ( Ring Imaging Cherenkov ) jest odpowiedzialny za pomiar prędkości cząstek docierających z prędkością zbliżoną do prędkości światła z dokładnością do 0,1%. Urządzenie to umożliwia, na przykład, w celu rozróżnienia pomiędzy izotopami z berylu -9 beryl-10, z których bardzo blisko masa różni się tylko o 10%, a która nie może być indywidualnie zidentyfikowane przez innych czujników. RICH wykorzystuje fakt, że światło porusza się wolniej w szkle niż w próżni. Kiedy cząsteczka dociera z prędkością zbliżoną do światła i przenika przez szybę detektora, zachodzi zjawisko zwane efektem Wawiłowa-Czerenkowa , równoważne przejściu bariery dźwiękowej : cząsteczka emituje deszcz światła o stożkowatym kształcie. Kąt otwarcia stożka jest proporcjonalny do prędkości cząstki. Setki małych fotopowielaczy mierzą utworzony okrągły kształt światła.
Dwa detektory czasu przelotu TOF ( Time of flight ) umieszczone na wejściu i wyjściu osi magnesu wykrywają przybycie i wyjście cząstek przechodzących przez instrument. Kiedy TOF znajdujący się na wejściu magnesu wykryje cząstkę, wysyła sygnał do innych detektorów. Kolejny sygnał jest emitowany przez TOF znajdujący się na drugim końcu, aby zasygnalizować detektorom wyjście cząstki. TOF umożliwiają również ocenę ładunku elektrycznego cząstki i określenie, w którym kierunku cząstka przechodzi przez magnes, co pomaga w identyfikacji cząstek antymaterii. Każdy TOF składa się z dwóch detektorów scyntylacyjnych. Dwa TOF są oddalone od siebie o około 1 metr i mają dokładność 150 pikosekund, co umożliwia pomiar cząstek z prędkością do 98% prędkości światła.
Detektor ACC ( Anti-Coincidence Counter ) umożliwia wykluczenie cząstek, które nie przechodzą optymalnie przez instrument. Około 10 000 cząstek ze wszystkich kierunków przechodzi przez AMS-02 na sekundę, ale tylko te przechodzące przez wszystkie detektory, które w związku z tym mają trajektorię mniej więcej równoległą do osi cylindra, czyli około 2000 cząstek na sekundę, umożliwiają precyzyjne pomiary i są zachowywane. ACC to instrument o cylindrycznym kształcie, który otacza magnes i wykrywa przechodzące przez niego cząsteczki. Te elektroniczne z AMS-02 wziąć pod uwagę tylko te cząstki, które są wykrywane przez dwie toFS a nie ACC. Ten detektor ma właściwości bardzo zbliżone do TOFów. Składa się z dwóch cienkich warstw tworzywa sztucznego scyntylatora, które emitują błyski światła, gdy przechodzą przez nie cząsteczki. Błyski te są wykrywane przez lampy fotopowielacza. Ponieważ nie działają one w silnych polach magnetycznych, fotopowielacze są instalowane z dala od magnesu. Światłowody odpowiadają za transport fotonów emitowanych przez plastik do detektorów.
Geometria trackera krzemowego ( Tracker ), który pozwala zrekonstruować trajektorię cząstek, podlega odkształceniom w przestrzeni w wyniku zmian termicznych, zarówno szybkich, jak i znaczących, gdy instrument przechodzi między częścią swojej orbity w cieniu Ziemi a częścią oświetloną . Ważne jest, aby te odkształcenia były mierzone, aby można było precyzyjnie określić trajektorię cząstek. Detektor TAS ( Tracker Alignment System ) mierzy zmiany geometrii z dokładnością do 5 mikronów. Pomiar opiera się na 10 laserach, których wiązka podczerwieni emituje na długości fali zdolnej do przejścia przez 7 warstw modułu Tracker.
AMS-02 posiada dwa szukacze gwiazd, które są małymi teleskopami umieszczonymi po przeciwnych stronach instrumentu tak, że przynajmniej jeden z dwóch instrumentów jest zawsze zwrócony w stronę gwiazdy. Służą one do stałego określania orientacji instrumentu na niebie. Dokładność tych czujników przewyższa dokładność podobnych urządzeń na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej . Dane dostarczane przez poszukiwacze gwiazd służą do określenia pochodzenia promieni gamma mierzonych przez instrument. Emisje z niektórych źródeł promieniowania gamma, takich jak rozbłyski gamma , supernowe i pulsary , zmieniają się bardzo szybko w czasie. Dlatego ważne jest, aby z dużą dokładnością rejestrować czas nadejścia promieni gamma, aby móc pogodzić te obserwacje z obserwacjami wykonanymi przez teleskopy na Ziemi. Uzgodnienie to odbywa się dzięki bardzo dokładnemu datowaniu zdarzenia dokonywanemu za pomocą sygnału godzinowego dostarczanego przez odbiornik GPS .
Od momentu uruchomienia AMS rejestrował około 1000 promieni kosmicznych na sekundę, generując 300 kilobajtów danych przesyłanych do ośrodków badawczych na Ziemi . Na początku 2013 roku AMS-02 wykrył 25 miliardów zdarzeń promieniowania kosmicznego w ciągu 18 miesięcy działania. Pierwsze wyniki naukowe zaprezentowane na3 kwietnia 2013opierają się na analizie przez detektory 400 000 pozytonów (cząstka antymaterii odpowiadająca elektronowi) o energii od 10 G eV do 350 GeV , czyli największej ilości antymaterii zbadanej do tej pory na świecie. Wykonane pomiary pokazują, że istnieje niewielki nadmiar pozytonów w porównaniu z przewidywaniami obliczeń przy braku ciemnej materii. Proporcja pozytonów wśród cząstek tworzących promieniowanie kosmiczne wzrasta od 10 GeV do 350 GeV, ale nachylenie zmniejsza się o rząd wielkości dla cząstek o energii od 20 do 350 GeV . Zebrane dane nie wskazują na żadne zmiany liczby pozytonów w czasie i zgodnie z ich częstością. Biorąc pod uwagę brak anizotropii , nadmiar pozytonów nie może być emitowany przez zlokalizowane źródło konwencjonalne, takie jak pulsar. Wyniki są zgodne z obecnością ciemnej materii w przestrzeni, której anihilacja generuje te pozytony, ale inne wyjaśnienia nie są całkowicie wykluczone.
AMS-02 wykrywa również w 2016 roku nadmiar antyprotonów w stosunku do przewidywań teoretycznych. Dane są trudne do interpretacji ze względu na kilka źródeł niepewności, ale po dalszej analizie opublikowanej w 2019 roku wydaje się, że obserwacja ta jest zgodna z istnieniem ciemnej materii.
Oszacowanie (w 2007 r.) rozkładu ciemnej materii i ciemnej energii we Wszechświecie
Centralny element eksperymentu AMS-02 w pomieszczeniu czystym w CERN
Wygenerowany komputerowo obraz: AMS-02 zainstalowany na stronie przyłączenia ładunku S3 na ISS