阿爾法磁譜儀（AMS）從國際空間站（ISS）外的有利位置，在過去的8.5年中一直在收集以接近光速在太空中移動的帶電宇宙射線。與地球上的粒子探測器不同，AMS 沒有連線到加速器，而是研究存在於太空真空中的目標，這些目標未受地球大氣層相互作用的影響。該實驗旨在解決宇宙中一些最大的難題，例如構成似乎主導宇宙的缺失暗物質的物質是什麼，以及為什麼宇宙包含的物質多於反物質。
到目前為止，AMS 已經研究了超過 1450 億條帶電宇宙射線，產生了 16 篇科學論文和大量有趣的問題。然而，2014 年出現的實驗冷卻系統問題威脅要縮短這項科學工作。美國國家航空航天局決定在 11 月 15 日開始的四次複雜而精細的太空行走（或艙外活動，EVA）中更換故障硬體。如果成功，AMS 應該能夠繼續獲取資料多年，有可能解決迄今為止發現的一些令人困惑的發現。
引人入勝的謎團
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AMS 揭示的首批謎團之一與入射正電子（電子的反物質對應物）的能量有關。它發現正電子譜在 250 億電子伏特 (GeV) 處急劇上升，攀升至約 300 GeV，然後急劇下降並在 1,000 GeV 左右截止。“這完全不規則，”麻省理工學院諾貝爾獎得主物理學家塞繆爾·丁說，他領導著由 600 名成員組成的 AMS 科學團隊。
丁說，最合理的解釋是，這個由 16 個國家的 56 個機構參與的專案正在看到相對高質量的暗物質粒子碰撞的副產品。然而，這種奇特的模式也可能源於附近的脈衝星或其他現象。
“正電子的下降很有趣，無論它是暗物質、脈衝星還是其他物質引起的，”麻省理工學院粒子物理學家特蕾西·斯萊特說。“如果是暗物質，它會讓你更準確地掌握其質量需要是多少。如果是來自本地脈衝星，那麼它會告訴你一些關於來自這些脈衝星的粒子如何在星系中傳播的重要資訊。[透過] 更好地測量高能截止，目前統計資料非常有限，也許你可以排除其中一種解釋。”
另一個有趣的發現是 AMS 對反氦粒子的探測——氦的反物質對應物，它包含兩個反質子和一個反中子——AMS 研究人員尚未發表的結果。“我們想確保我們也能看到反碳和反氧，”丁說。“我們有不到 10 個反氦訊號，反氦與氦的比率是百萬分之一。這就像在美國人口中尋找三個人。”
維修工作
更明確的答案只能來自 AMS 的更多資料，AMS 於 2011 年 5 月在太空梭奮進號的最後一次飛行中安裝在國際空間站上。這個耗資 20 億美元的探測器包括五個科學儀器、30 萬個電子通道和 650 個快速處理器，是一臺神奇的機器。但它並非設計為可維修的，尤其不是由戴著手套和身穿太空服的宇航員在微重力環境中碰撞來維修。AMS 冷卻系統包括四個小型泵，每個泵都配備一個四分之一大小的葉輪，該葉輪以每分鐘 6,000 轉的速度旋轉，以使六克二氧化碳在系統中移動。一次只使用一個泵，每個泵的設計壽命為三年，因此理論上，該系統應該可以使用 12 年。但第一個泵的故障方式引起了對其他泵的擔憂。“我們逐漸意識到這些泵本身就是糟糕的設計，”美國國家航空航天局 AMS 專案經理馬克·西斯蒂利說。
事實證明，這些泵沒有足夠的內部潤滑，並且正在緩慢地將自己磨損，這導致它們卡住。美國國家航空航天局啟動了一項工作，以弄清楚太空行走的宇航員更換冷卻系統是否可行。“我們真的不想看到 AMS 因為缺乏這種冷卻而失敗，”西斯蒂利說。美國國家航空航天局借鑑為哈勃太空望遠鏡的五次太空梭維修任務開發的技術和工具，牽頭制定了一項為期四年的計劃，以類似地維修 AMS。
除了新的泵系統外，工程師和技術人員還為這項工作設計、原型製作和測試了約 25 種專用工具，並安排將所有物品透過三艘不同的貨船運送到空間站。該機構還培訓了國際空間站機組人員，歐洲航天局的盧卡·帕爾米塔諾和美國國家航空航天局的安德魯·摩根，為即將到來的艱苦工作做好準備。
當宇航員上個月漂浮到空間站氣閘外進行計劃的四次太空行走中的第一次時，AMS 只剩下一個泵，每月大約以 60% 的佔空比工作，並且幾乎耗盡了二氧化碳冷卻劑。“我們知道第四個泵出故障只是時間問題，”西斯蒂利說。
精細的操作
在第一次 6.5 小時的外出中，帕爾米塔諾和摩根拆除了一個保護性碎片防護罩，並將其吊入太空，這樣它就不會對空間站構成未來的撞擊威脅。然後，宇航員拆除了絕緣材料和一個內部 AMS 支撐梁的蓋子，露出了 10 根不鏽鋼管，每根管子的寬度都像蘇打水吸管。六根管子將在下一次太空行走中被切割並拼接成新的泵元件，另外兩根管子將在探測器的另一側拼接。一週後，宇航員再次外出工作了六個小時，小心翼翼地切割了八根冷卻劑管線，永久停用了原始冷卻系統。在 12 月 2 日的第三次外出中，他們安裝了新的熱管道系統。
第四次也是最後一次 AMS 維修太空行走的時間尚未確定。在那次外出中，宇航員將修復拼接管道線中可能出現的任何洩漏，這些管道線尚未加壓。他們還將在新的泵箱上安裝一個絕緣帳篷，以幫助調節溫度。
冷卻系統對於 AMS 核心部件的執行至關重要——九層矽徑跡探測器，用於測量穿越粒子的軌跡和電荷。AMS 強大的磁鐵會彎曲入射粒子的路徑，根據它們是帶正電荷還是負電荷，將每個粒子轉向不同的方向。在磁場中測量粒子的曲率也可用於計算動量。科學家們正在慢慢地將 AMS 的能量和動量測量結果組合成宇宙的點彩畫——以及可能是新的——檢視。
美國國家航空航天局在第四次太空行走之後才會知道 AMS 是否恢復執行。“我們基本上只是做了一次心臟移植手術，”美國國家航空航天局約翰遜航天中心 AMS 專案經理肯·博爾韋格在休斯頓說。“我們的目標是讓它至少再執行 11 年，或者只要空間站還在軌道上執行。”
儘管情況複雜，但美國國家航空航天局從未對修復 AMS 是否值得花費時間和精力猶豫不決。“這就是空間站的用途：開展其他任何地方都無法開展的科學研究，而且規模也是其他任何地方都無法達到的，”國際空間站主任塞繆爾·西米米說。“我不知道丁博士的科學研究在短期內是否會帶來任何實際應用。但是，如果這項研究最終證明在以前沒有人做過任何工作的領域為我們人類的存在增添了價值，那就已經足夠有價值了。”