“星塵號”采樣：迎風“撈”粒子

文/ 李晨風

天文學家們早就知道，彗星的彗尾是非常稀疏的物質，但是體積極為巨大。組成彗尾的到底是什么，科學界一直無法確認。1999年，美國宇航局發射了星塵號探測器，在7年時間中共繞太陽3 圈，從彗尾中收集了一點點顆粒物資。雖然數量極為稀少，但是具有的科學價值，卻是無法替代的。

▲ “星塵號”采樣機構的展示模型

B 面用完用A 面

“星塵號”的出征是相當低調的。因為經費不多，所以要選擇盡量節省的軌道方案。用來發射“星塵號”的，是即將退役的德爾塔2 號火箭，精心計算的軌道既能保證有效穿過彗尾，又能用德爾塔2 號火箭來送入太空，代價是飛行時間比較長。經過漫長的飛行，“星塵號”在2000年1月終于來到了火星和木星軌道之間，這是它的遠日點。“星塵號”的發動機這時候啟動，改變軌道向自己的近日點前進。

從2002年8月開始，“星塵號”開始收集空間粒子，這個過程一直延續到2002年12月。這個收集過程使用的是收集裝置的“B”面，“A”面還沒有用上。

2003年12月31日，“星塵號”進入懷爾德2 彗星的彗發，這是圍繞著彗星核心的巨大塵埃和氣體云。2004年1月2日，美國東部時間14點40 分，“星塵號”在240 千米的距離上飛過懷爾德2 號彗星的核心。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”，是一個長得很像網球拍的東西，實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，又不會改變它們的形態。

在整個捕捉過程中獲取的數據立刻傳回了地面，給人們帶來了完全不同的現場感。任務小組最初預計，當探測器進入彗發時，粒子數量會均勻增加，離開時粒子數量會減少。實際上，數據顯示，“星塵號”先是穿過了一個真正的粒子群，之后經歷了一片幾乎沒有任何東西的空白區，然后又遇上了另一個粒子群。數據表明，當它穿過粒子群時，至少有10 次粒子撞擊探測器屏蔽層的現象發生。撞擊速度差不多是每秒6.1千米。

▲ “星塵號”團隊獲得當年大獎

在搜集宇宙粒子的同時，“星塵號”還拍攝了不少懷爾德2號彗核的圖像。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，某些區域已經侵蝕到100米或更深處。彗星上還有20 多條活躍的噴流、局部熱點，向太空噴射著氣體和塵埃。

在彗發中的采樣持續了6 個小時，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”樣品艙

▲ 顯微鏡下看到的“星塵號“樣品

世上最輕的固體——氣凝膠

氣凝膠最初是由北加利福尼亞太平洋學院的一名研究人員于1931年發明的。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提供氣凝膠收集器，美國宇航局噴氣推進實驗室親自動手研制了宇航級的產品。氣凝膠看起來像固化的淡藍色煙霧，它是已知密度最小的固體。在“星塵號”之前，已經有8 架次航天飛機攜帶氣凝膠收集器進入太空。氣凝膠還被用在火星漫游車上充當輕質隔熱材料。

現在來看“星塵號”。我們已經知道，粒子被“星塵號”捕獲時的相對速度是每秒6.1 千米。如果這是一顆子彈，已經足夠把厚厚的鋼板打個窟窿，并且讓自己完全汽化，物理化學性質完全改變，失去科學價值。當然，彗發粒子沒有那么大的動能，所以當它沖進氣凝膠時，會被材料輕輕地夾住，逐漸減速停止。這個過程會在氣凝膠中形成一條胡蘿卜形的軌跡，其長度可達粒子自身長度的200 倍。為“星塵號”任務制造的氣凝膠具有極高的透明度，所以，通過尋找這種胡蘿卜狀的軌跡，就可以在它的末端找到一個粒子。當然，這項工作也不是用肉眼就能完成的，而是要動用顯微鏡。

氣凝膠能夠收集到的顆粒，大小在小于1 微米到近1 毫米。大部分科學分析將致力于研究15 微米大小的粒子。因為樣品寶貴，操作起來極為小心，可能要研究數年才有結果。

▲ 氣凝膠采樣盤的一面

▲ “星塵號”樣品艙開艙

▲ 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“星塵號”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，外側密度較低，越向里密度越大。收集器使用的時候翻起，采集完成后向下折疊，收納到返回艙中。

粒子的“新家”

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

“星塵號”的返回艙并不大，質量只有43 千克，所以在回收和運輸過程中都不需要什么特殊設備，設計一個專門的搬運夾具就可以。搬運過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，擦干凈之后抬到直升飛機上就行。其中的風險，無非是返回艙表面還比較熱，需要帶上防護手套。

此后的工作就要小心翼翼了。為了開箱取出樣品，必須設置一個臨時潔凈室。取出樣品罐之后，要立刻連接到凈化系統上。這個系統會向氣凝膠盒子不斷輸入恒定流量的超純氣態氮，然后把所有設備空運到美國宇航局約翰遜航天中心。

約翰遜航天中心有一個專門為“星塵號”樣本處理設計的實驗室，可以對氣凝膠進行光學掃描，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備，將收集到的樣本處理后送到世界各地的實驗室進行后期分析。這個實驗室的潔凈度達到100 級，在同一棟建筑內，收藏著美國宇航局的各種天體材料，包括平流層塵埃顆粒、南極隕石、月球巖石和太陽風樣本。所謂100 級，就是每立方英尺的空氣中不存在超過100 個大于0.5 微米的顆粒。相比之下，醫院手術室的潔凈度只有10000 級（每立方英尺空氣中不超過10000 個這樣的顆粒）。

氣凝膠打開的時候，還要用監測無揮發性殘留物的手段來監測環境。不進行檢查時，就要把樣品儲存在干凈、干燥的氮氣中。★