บนสถานีอวกาศนานาชาติ Magnetic Alpha Spectrometer (MAC) ได้รวบรวมกลุ่มของรังสีคอสมิกที่มีประจุซึ่งเดินทางผ่านอวกาศด้วยความเร็วเกือบเท่าแสงในช่วงแปดปีครึ่งที่ผ่านมา อัลฟาสเปกโตรมิเตอร์ในอวกาศไม่เหมือนกับเครื่องตรวจจับอนุภาคบนพื้นโลกไม่ได้ผูกติดกับเครื่องเร่งอนุภาค แต่ศึกษาเหยื่อของมันในรูปแบบบริสุทธิ์ ซึ่งมีอยู่ในสุญญากาศของอวกาศ โดยไม่ได้รับผลกระทบจากชั้นบรรยากาศของโลกของเรา เป้าหมายของการทดลองคือการหาคำตอบของความลึกลับที่สำคัญที่สุดในจักรวาลของเรา ตัวอย่างเช่น โครงสร้างของสสารมืดที่มองไม่เห็นคืออะไร ซึ่งดูเหมือนว่าจะมีชัยในอวกาศ และเหตุใดจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร
จนถึงปัจจุบัน สเปกโตรมิเตอร์สามารถศึกษารังสีคอสมิกที่มีประจุไฟฟ้ามากกว่า 145 พันล้านครั้ง ส่งผลให้มีเอกสารทางวิทยาศาสตร์ 16 ฉบับ รวมถึงคำถามที่น่าสนใจมากมาย แต่ในปี 2014 สเปกโตรมิเตอร์มีปัญหากับระบบทำความเย็น ซึ่งคุกคามการหยุดการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ก่อนเวลาอันควร NASA ตัดสินใจที่จะเปลี่ยนอุปกรณ์ที่ล้มเหลวในระหว่างการเดินอวกาศที่ยากลำบากของนักบินอวกาศ งานนี้เริ่มเมื่อวันที่ 15 พฤศจิกายน หากทำสำเร็จ อัลฟาสเปกโตรมิเตอร์แบบแม่เหล็กจะทำงานได้อีกหลายปี และมีความเป็นไปได้ที่มันจะไขปริศนาที่ลึกลับที่สุดสำหรับวันนี้
ความลับที่น่าดึงดูด
หนึ่งในเบาะแสแรกของสเปกโตรมิเตอร์นั้นเกี่ยวข้องกับพลังงานของโพซิตรอน เนื่องจากมีการเรียกปฏิปักษ์ของอิเล็กตรอน เป็นไปได้ที่จะพบว่าสเปกตรัมการแผ่รังสีของโพซิตรอนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วที่ 25 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ เพิ่มขึ้นเป็น 300 พันล้านโวลต์ จากนั้นลดลงอย่างรวดเร็วและหยุดที่ประมาณ 1,000 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ซามูเอล ติง นักฟิสิกส์จากสถาบัน MIT และหัวหน้าทีมวิจัยของ IAS จำนวน 600 คน กล่าวว่า "มันไม่เป็นระเบียบอย่างสมบูรณ์"
คำอธิบายที่สมเหตุสมผลที่สุด Ting กล่าวว่าเครื่องตรวจจับอนุภาคซึ่งเป็นโครงการร่วมของ 56 องค์กรใน 16 ประเทศเห็นผลพลอยได้จากการชนกันของอนุภาคสสารมืดที่ค่อนข้างใหญ่ แต่พลวัตที่น่าสงสัยมากอาจเป็นผลมาจากอิทธิพลของพัลซาร์ที่อยู่ใกล้เคียงหรือปรากฏการณ์อื่นๆ
นักฟิสิกส์ Tracy Slatyer จาก MIT กล่าวว่า "การปล่อยโพซิตรอนเป็นเรื่องที่น่าสนใจ ไม่ว่าจะเกิดจากสสารมืด พัลซาร์ หรืออย่างอื่น - หากเป็นสสารมืด เราจะเข้าใจมวลของมันได้แม่นยำยิ่งขึ้น หากนี่คือผลกระทบของพัลซาร์ในท้องถิ่น เราก็ได้เรียนรู้สิ่งที่สำคัญเกี่ยวกับวิธีที่อนุภาคจากพัลซาร์เหล่านี้แพร่กระจายไปทั่วกาแลคซี ด้วยการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นของพลังงานที่สูงนี้ ซึ่งสถิติในปัจจุบันมีจำกัดมาก เราสามารถยกเว้นคำอธิบายอย่างใดอย่างหนึ่งได้"
การค้นพบ MAC ที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งคืออนุภาคต่อต้านฮีเลียม เหล่านี้เป็นอนุภาคของปฏิสสารที่มีแอนติโปรตอนสองตัวและแอนตินิวตรอนหนึ่งตัว นักวิจัยยังไม่ได้เผยแพร่ผลลัพธ์เหล่านี้ "เรายังต้องการให้แน่ใจว่าเราสามารถเห็นสารต้านคาร์บอนและสารต้านออกซิเจน" ทินกล่าว “เรามีสัญญาณต่อต้านฮีเลียมน้อยกว่า 10 ตัว และอัตราส่วนของแอนติฮีเลียมต่อฮีเลียมในจักรวาลนั้นอยู่ที่ประมาณหนึ่งในร้อยล้าน มันเหมือนกับการหาคนสามคนในประชากรสหรัฐฯ"
ซ่อมแซม
คำตอบที่ชัดเจนยิ่งขึ้นจะได้รับเมื่อข้อมูลเพิ่มเติมปรากฏขึ้นจาก MAS ซึ่งติดตั้งบนสถานีอวกาศนานาชาติระหว่างเที่ยวบินสุดท้ายของกระสวยอวกาศ "Endeavour" ในเดือนพฤษภาคม 2554 เครื่องตรวจจับมูลค่า 2 พันล้านดอลลาร์ประกอบด้วยเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ 5 ชิ้น ช่องอิเล็กทรอนิกส์ 300,000 ช่อง และตัวประมวลผลที่รวดเร็ว 650 เครื่อง นี่เป็นรถที่น่าทึ่งแต่ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อให้บริการหรือซ่อมแซม โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยกองกำลังของนักบินอวกาศที่สวมถุงมือและชุดอวกาศที่เคลื่อนที่ไปรอบๆ ในสภาวะไร้น้ำหนัก ระบบหล่อเย็นของอัลฟาสเปกโตรมิเตอร์ประกอบด้วยปั๊มขนาดเล็กสี่ตัว โดยแต่ละตัวมีใบพัดขนาดเหรียญหมุนที่หกพันรอบต่อนาทีและสูบคาร์บอนไดออกไซด์หกกรัมผ่านระบบ ใช้ปั๊มเพียงตัวเดียวในแต่ละครั้ง และปั๊มแต่ละตัวมีอายุการใช้งานสามปี ดังนั้น ตามทฤษฎีแล้ว ระบบควรทำงานเป็นเวลา 12 ปี แต่ปั๊มแรกล้มเหลว และสิ่งนี้ทำให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับปั๊มอื่นๆ “เราตระหนักดีว่าตัวปั๊มเองได้รับการออกแบบมาไม่ดี” Mark Sistelli ผู้จัดการโปรแกรม MAS กล่าว
ปรากฎว่าปั๊มมีการหล่อลื่นภายในไม่เพียงพอและจะค่อยๆเสื่อมสภาพซึ่งเป็นสาเหตุให้ปิดเครื่อง NASA พยายามค้นหาว่าสามารถเปลี่ยนระบบทำความเย็นระหว่างการเดินในอวกาศได้หรือไม่ "เราลังเลมากที่จะเลิกใช้สเปกโตรมิเตอร์เนื่องจากขาดการระบายความร้อน" ซิสตีลีกล่าว NASA ใช้เทคโนโลยีและเครื่องมือที่พัฒนาขึ้นสำหรับภารกิจกระสวยอวกาศ 5 ภารกิจเพื่อให้บริการกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล นาซาจึงเริ่มโครงการซ่อมแซม MAC เป็นเวลาสี่ปี
นอกจากระบบสูบน้ำใหม่แล้ว วิศวกรและช่างเทคนิคยังได้ออกแบบ สร้าง และทดสอบเครื่องมือพิเศษประมาณ 25 ชิ้นสำหรับงาน และส่งทั้งหมดไปยังสถานีด้วยเรือสินค้าสามลำที่แตกต่างกัน หน่วยงานยังฝึกลูกเรือ Luca Parmitano จาก European Space Agency และ Andrew Morgan จาก NASA สำหรับงานที่น่าเบื่อนี้
แอนดรูว์ มอร์แกน นักบินอวกาศของนาซ่า และลูก้า ปาร์มิตาโน นักบินอวกาศของ ESA ก่อนปล่อย
เมื่อนักบินอวกาศออกจากเกตเวย์เป็นครั้งแรกในอวกาศเมื่อเดือนที่แล้ว สเปกโตรมิเตอร์มีปั๊มเพียงตัวเดียวที่ใช้งานได้ มันทำงานที่ 60% ของโหลดสูงสุดและเกือบจะหมด CO2 “เรารู้ว่ามันเป็นเพียงเรื่องของเวลาก่อนที่ปั๊มที่สี่ก็จะแตก” ซิสติลลีกล่าว
การซ้อมรบอย่างระมัดระวัง
เป็นเวลาหกชั่วโมงครึ่งในการทำงานในพื้นที่เปิดโล่ง Parmitano และ Morgan ได้ถอดเกราะป้องกันของอัลฟา สเปกโตรมิเตอร์แบบแม่เหล็กและปล่อยไปตามวิถีที่ไม่รวมความเป็นไปได้ที่จะชนกับตัวถังของสถานี จากนั้นนักบินอวกาศก็ถอดฉนวนและฝาครอบออกจากคานรองรับด้านในของ MAC ซึ่งมีท่อสแตนเลส 10 ท่อ ซึ่งแต่ละท่อมีขนาดเท่ากับหลอดค็อกเทล ต้องตัดท่อหกท่อและใส่เข้าไปในปั๊มใหม่ในระหว่างการเดินในอวกาศครั้งต่อไป จากนั้นต้องทำเช่นเดียวกันกับอีกสองท่อที่อยู่อีกด้านหนึ่งของเครื่องตรวจจับ หนึ่งสัปดาห์ต่อมา นักบินอวกาศกลับเข้าไปในอวกาศเพื่อทำงานที่นั่นเป็นเวลาหกชั่วโมง พวกเขาตัดท่อแปดท่ออย่างระมัดระวัง ทำลายระบบทำความเย็นทั้งหมด ระหว่างการเดินสำรวจอวกาศครั้งที่ 3 เมื่อวันที่ 2 ธันวาคม พวกเขาได้ติดตั้งระบบท่อระบายความร้อนใหม่
ยังไม่ได้กำหนดระยะเวลาของการเดินอวกาศครั้งที่สี่และครั้งสุดท้ายเพื่อซ่อมแซมอัลฟาสเปกโตรมิเตอร์ ในเที่ยวบินสุดท้ายของพวกเขาสู่อวกาศ นักบินอวกาศจะต้องซ่อมแซมรอยรั่วที่อาจปรากฏในท่อที่ซ่อมแซมซึ่งยังไม่ได้รับแรงดัน พวกเขายังจะวางฉนวนหุ้มเหนือกระบอกสูบปั๊มใหม่เพื่อช่วยควบคุมอุณหภูมิ
ระบบระบายความร้อนมีความสำคัญต่อหัวใจของ MAC - ตัวติดตามซิลิโคนเก้าชั้นที่วัดวิถีและประจุไฟฟ้าของอนุภาคที่บินผ่าน แม่เหล็กอันทรงพลังของสเปกโตรมิเตอร์จะโค้งวิถีของอนุภาคที่เข้ามา ชี้นำพวกมันไปในทิศทางเดียวหรืออีกทางหนึ่ง ขึ้นอยู่กับประจุ (บวกหรือลบ) ข้อมูลการโก่งตัวของอนุภาคในสนามแม่เหล็กยังสามารถใช้เพื่อคำนวณโมเมนต์ของแรงได้อีกด้วย นักวิทยาศาสตร์กำลังค่อยๆ รวบรวมการวัดพลังงานและโมเมนต์ของแรง ทำให้เกิดมุมมองใหม่ของจักรวาล
นาซ่าจะรู้ได้ก็ต่อเมื่อ MAC จะทำงานอีกครั้งหลังจากการเดินในอวกาศครั้งที่สี่ “โดยพื้นฐานแล้ว เราทำการปลูกถ่ายหัวใจ” Ken Bollweg ผู้จัดการโครงการ MAC ในฮูสตันกล่าว "เป้าหมายของเราคือให้มันใช้งานได้อย่างน้อยอีก 11 ปีหรือตราบเท่าที่สถานีอยู่ในวงโคจร"
แม้จะมีปัญหามากมาย NASA ก็ไม่มีข้อสงสัยเกี่ยวกับความจำเป็นในการซ่อมแซมอัลฟาสเปกโตรมิเตอร์ “นั่นคือสิ่งที่สถานีต้องการ-เพื่อดำเนินการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่ไม่สามารถทำได้ในระดับดังกล่าวที่อื่น” Sam Scimemi ผู้อำนวยการสถานีอวกาศนานาชาติกล่าว “ฉันไม่รู้ว่างานวิจัยของ Dr. Tin จะให้ผลลัพธ์เชิงปฏิบัติในอนาคตอันใกล้นี้หรือไม่ แต่ถ้าพวกเขาเพิ่มสิ่งใหม่ให้กับความรู้ของมนุษยชาติในด้านนี้ซึ่งไม่มีใครทำงานใด ๆ มาก่อนก็จะมีค่ามาก"