Scientific American (США): важный ремонт на МКС для продолжения экспериментов с темной материей
Scientific American (США) рассказывает о научном приборе на МКС, который изучает состав космических лучей и ищет антиматерию и темную материю. Эти исследования настолько важны, что, когда в работе прибора возникли проблемы, НАСА, не задумываясь, решило его отремонтировать.
Находящийся на борту Международной космической станции магнитный альфа-спектрометр (МАС) последние восемь с половиной лет собирает коллекцию из заряженных космических лучей, которые движутся в космосе почти со скоростью света. В отличие от земных детекторов частиц, космический альфа-спектрометр не привязан к ускорителю, а изучает свою добычу в чистом виде, в каком она существует в космическом вакууме, не испытывая на себе воздействия атмосферы нашей планеты. Цель эксперимента — найти ответы на самые важные загадки нашей Вселенной, например, из чего состоит невидимая темная материя, которая как будто преобладает в космосе, и почему в ней больше материи, чем антиматерии.
На сегодня с помощью спектрометра удалось исследовать более 145 миллиардов заряженных космических лучей, в результате чего на свет появилось 16 научных работ, а также великое множество интригующих вопросов. Но в 2014 году у спектрометра возникли проблемы с системой охлаждения, грозившие преждевременно остановить научные исследования. НАСА решила заменить вышедшее из строя оборудование во время сложных выходов астронавтов в космос. Эта работа началась 15 ноября. Если она завершится успешно, магнитный альфа-спектрометр проработает еще много лет, и не исключено, что он разгадает самые таинственные на сегодня загадки.
Заманчивые тайны
Одна из первых разгадок спектрометра связана с энергией позитронов, как называют античастицы электронов. Удалось выяснить, что спектр излучения позитронов резко увеличивается при 25 миллиардах электрон-вольт, растет до 300 миллиардов вольт, затем резко уменьшается и прекращается на отметке около 1 000 миллиардов электрон-вольт. «Это совершенно неупорядоченно», — говорит нобелевский лауреат по физике Сэмюэл Тин (Samuel Ting), работающий в Массачусетском технологическом институте и возглавляющий научный коллектив МАС, состоящий из 600 человек.
Самое логичное объяснение, говорит Тинг, заключается в том, что детектор частиц, ставший совместным проектом 56 организаций из 16 стран, видит побочные продукты столкновений частиц темной материи с относительно большой массой. Но очень любопытная динамика может также быть результатом воздействия близлежащих пульсаров или каких-то иных явлений.
«Выброс позитронов — это интересно, вызван ли он темной материей, пульсарами или чем-то еще, — говорит физик Трейси Слатьер (Tracy Slatyer) из Массачусетского технологического института. — Если это темная материя, мы получаем более точное представление о ее массе. Если это воздействие местных пульсаров, то мы узнаем нечто важное о том, как частицы из этих пульсаров распространяются по галактике. Проведя более точные измерения этой высокой энергии, по которой статистика на сегодня весьма ограничена, мы сможем исключить одно из объяснений».
Другая интригующая находка МАС — антигелиевые частицы. Это частицы из антиматерии, содержащие два антипротона и один антинейтрон. Эти результаты исследователи пока не опубликовали.
«Мы хотим также убедиться, что сможем увидеть антиуглерод и антикислород, — говорит Тин. — У нас менее 10 сигналов антигелия, а соотношение антигелия и гелия во Вселенной составляет примерно один к ста миллионам. Это все равно что искать троих человек среди населения США».
Ремонт
Более определенные ответы удастся получить только тогда, когда появятся дополнительные данные с МАС, который был установлен на борту МКС во время последнего полета космического челнока «Индевор» в мае 2011 года. Детектор стоимостью два миллиарда долларов включает в свой состав пять научных приборов, 300 тысяч электронных каналов и 650 быстрых процессоров. Это удивительная машина. Но она не предназначена для обслуживания и ремонта, особенно силами астронавтов в перчатках и скафандрах, которые толкаются вокруг нее в микрогравитации. В систему охлаждения альфа-спектрометра входят четыре маленьких насоса, каждый из которых имеет рабочее колесо размером с монету, вращающееся со скоростью шесть тысяч оборотов в минуту и прокачивающее через систему шесть граммов двуокиси углерода. Одновременно используется только один насос, и у каждого из них проектный срок эксплуатации составляет три года. Поэтому теоретически система должна проработать 12 лет. Но первый насос отказал, и это вызвало опасения по поводу остальных.
«Мы поняли, что у самих насосов плохая конструкция», — говорит руководитель программы МАС Марк Систилли (Mark Sistilli).
Как оказалось, у насосов недостаточно внутренней смазки, и они постепенно изнашиваются, а это вызывает остановки. НАСА попыталась понять, возможно ли вообще произвести замену системы охлаждения во время выхода в открытый космос.
«Нам очень не хотелось отказываться от спектрометра из-за отсутствия охлаждения», — говорит Систилли.
Вооружившись технологиями и инструментами, разработанными для пяти полетов шатлов с целью обслуживания телескопа «Хаббл», НАСА приступила к реализации четырехлетней программы ремонта МАС.
В дополнение к новой системе насосов инженеры и техники спроектировали, создали и испытали около 25 специальных инструментов для этой работы, и отправили все это на станцию тремя разными грузовыми кораблями. Агентство также подготовило членов экипажа Луку Пармитано (Luca Parmitano) из Европейского космического агентства и Эндрю Моргана (Andrew Morgan) из НАСА к проведению этой утомительной работы.
Когда астронавты в прошлом месяце в первый раз выплыли из переходного шлюза в открытый космос, у спектрометра оставался всего один исправный насос. Он работал на 60% от максимальной нагрузки, и в нем почти закончился CO2.
«Мы знали, что это лишь вопрос времени, и что четвертый насос тоже обязательно сломается», — говорит Систилли.
Осторожные маневры
За шесть с половиной часов работы в открытом космосе Пармитано и Морган сняли защитный экран магнитного альфа-спектрометра и сбросили его по траектории, исключающей возможность столкновения с корпусом станции. Затем астронавты убрали изоляцию и крышку с внутренней опорной балки МАС, под которыми находятся 10 трубок из нержавеющей стали, каждая диаметром с соломинку для коктейля. Шесть трубок предстояло срезать и вставить в новый насос во время следующего выхода в космос, а потом надо было сделать то же самое еще с двумя трубками, находящимися по другую сторону детектора. Неделей позже астронавты снова вышли в космос, чтобы проработать там шесть часов. Они осторожно срезали восемь трубок, выведя из строя всю систему охлаждения. Во время третьего выхода в космос 2 декабря они смонтировали новую систему трубопроводов для охлаждения.
Время четвертого и последнего выхода в космос с целью ремонта альфа-спектрометра пока не определено. Выйдя в космос в последний раз, астронавты должны будут устранить утечки, могущие появиться в отремонтированной трубной разводке, которая пока не опрессована. Они также поставят изоляционный кожух над новым цилиндром насоса, что поможет регулировать температуру.
Система охлаждения очень важна для работы сердца МАС — девяти слоев силиконовых устройств слежения, которые измеряют траекторию и электрический заряд пролетающих мимо частиц. Мощный магнит спектрометра искривляет траекторию подлетающих частиц, направляя их в ту или иную сторону в зависимости от заряда (положительный или отрицательный). Данные об отклонении частицы в магнитном поле можно также использовать для расчета момента силы. Ученые постепенно собирают данные измерений энергии и момента силы, формируя новый взгляд на Вселенную.
НАСА узнает о том, заработает ли снова МАС, только после четвертого выхода астронавтов в космос.
«По сути дела, мы провели операцию по пересадке сердца, — говорит руководитель проекта МАС из космического центра в Хьюстоне Кен Боллвег (Ken Bollweg). — Наша цель состоит в том, чтобы он проработал еще как минимум 11 лет или до тех пор, пока станция находится на орбите».
Несмотря на многочисленные сложности, у НАСА не было никаких сомнений в необходимости ремонта альфа-спектрометра.
«Для этого и существует станция — чтобы проводить научные исследования, которые невозможно осуществлять в таких масштабах больше нигде, — говорит директор МКС Сэм Скимеми (Sam Scimemi). — Я не знаю, принесут ли исследования доктора Тина какие-то практические результаты в ближайшем будущем. Но если они добавят что-то новое к знаниям человечества в этой области, в которой никто прежде не проводил никаких работ, это будет достаточно ценно».