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天宫“魔盒”

发布时间: 2016-09-18 15:10:43   作者:本站编辑   来源: 光明日报   浏览次数:

 

 

        在天宫二号空间实验室中,你可以看到很多如上图这样一个一个的“小盒子”,这些就是实验设备。虽然它们“体格”小,内里却大有乾坤——主要涉及微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究应用以及应用新技术试验等8个领域的十余项实验项目,是我国历次载人航天任务中开展应用项目最多的一次,其中航天员直接参与操作的空间科学实验研究有2项,国际合作联合研究项目1项。本期,我们为大家着重介绍四个“魔盒”。

 

空间冷原子钟:3000万年误差1秒

 

(“魔盒”之空间冷原子钟)

 

  空间冷原子钟将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”,同时也是目前在空间运行的精度最高的原子钟。

  空间冷原子钟将激光冷却技术和空间微重力环境结合,并突破了激光器自动找频和长期稳频、高稳定光学平台集成、空间激光冷却原子、高性能磁屏蔽及地磁场主动补偿、高性能低噪声微波频率产生等系列关键技术,验证在空间微重力环境下超高稳定度冷原子钟的运行机制,有望实现10~16量级的超高精度(约3000万年误差1秒),将目前人类在太空中的时间计量精度提高1~2个数量级。

  空间冷原子钟将开展包括激光连续稳频输出、激光冷却原子、冷原子慢速抛射、冷原子与微波相互作用、冷原子钟闭环运行等首次在太空中进行的前沿科学实验,为未来进行空间科学实验和工程应用等对超高精度时间基准的重大需求奠定基础。

  空间冷原子钟在轨实验的成功,将标志我国具备在太空中建立超高精度的时间频率基准的能力。以此为基础建立的空间高精度时频系统,将可以对其他卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准,使得未来基于空间冷原子钟同步的卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。

        除此之外,这一实验项目还将为空间超冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等应用奠定技术基础,并且在深空探测、引力红移、引力波探测、基本物理常数测量等一系列重大技术和基础科学发展方面作出重要贡献。

 

伽马暴偏振探测器:解密恒星的“生命之花”

 

(“魔盒”之伽马暴偏振探测器)

 

  伽马射线暴(简称伽马暴)是来自宇宙空间的伽马射线短时间突然增强的现象。它爆发时的亮度极高,其伽马射线辐射的亮度比宇宙中其他天体的伽马射线亮度总和还要大。

  自发现以来,伽马暴的起源及相应的物理过程一直是天文学家们研究的最前沿课题之一。它涉及宇宙学尺度上的恒星级过程,能够将天体物理中最重要的三个层次——恒星、星系以及宇宙学联系起来。虽然这十几年来人们对伽马暴的研究取得了长足的进步,但是一些基本问题还是没有得到很好的解决。

        伽马暴偏振探测实验项目要通过一台能够测量硬X射线/伽马射线偏振的空间天文探测器。其组成主要包括舱内部分电控箱和舱外部分偏振探测器。其中,舱外部分偏振探测器主要包含25套探测器单体、一套中心触发系统、一套高压电源以及一套低压电源等部组件。其中,每套探测器单体由64根(8×8阵列)塑料闪烁体棒、一套多阳极光电倍增管以及一套前端电子学等组成。整个探测器阵列共有1600个探测通道,组成40×40的探测阵列,测量入射伽马暴或太阳耀斑的偏振信号。

 

紫外临边成像光谱仪:用“长焦”和“广角”给地球大气拍照片

 

(“魔盒”之紫外临边成像光谱仪)

 

  “天宫二号”安置了洞悉大气的“天眼”——紫外临边成像光谱仪,在太空对地球大气进行“层析”式探测研究。

  “天眼”不仅能看到人眼所能看到的可见光,更将视野扩展到人眼所不能及的紫外光。通过“天眼”,我们可以看到整个大气层的密度、臭氧、气溶胶、有害气体等的垂直分布(每层的分布)及其变化,同时还能监测中层大气的状态与扰动,我们可以了解太阳活动、大气与地球天气及气候的关系,同时还能观测全球环境变化。

  紫外临边成像光谱仪有两套“天眼”,一个叫“前向”,一个叫“环形”。同时对地球大气层进行天底和临边探测。“前向天眼”视线对准地球临边切线方向上某高度范围的大气,测量临边探测路径上单次和多次散射的太阳光谱辐射,通过反演计算从而获取地球临边大气散射光谱辐亮度。地球临边大气散射光谱辐亮度随临边高度的变化反映了大气痕量气体的垂直分布信息。由于“前向天眼”对地球临边大气进行了切片式探测,因此可以获得很高的垂直分辨率。

        “环形天眼”具备同时对天底大气和临边大气多方位探测的功能。假如将大气层比作一处美景,天底观测便如在它头顶盘旋的小鸟,能看到的是轮廓和总量,而临边观测则相当于仪器与地球边缘大气并肩而立,可以细致欣赏品味它的层次美(高垂直分辨率)。“环形天眼”能获得臭氧、二氧化氮、气溶胶等大气痕量气体在同一临边高度上的多方位分布信息,通过反演计算可以获取大气痕量气体多方位的时空分布,进而为大气环境监测和大气科学研究等提供服务。

 

高等植物培养箱:去太空种水稻和拟南芥 

 

(“魔盒”之高等植物培养箱)

 

  近十多年来,由于建立月球或火星基地成为空间探索的重要目标之一,世界各空间科学大国都在积极研究如何在太空栽培植物,以支持人类长期在太空生活。要想在太空条件下成功生产粮食与蔬菜等,必须清楚了解包括重力在内的诸多与植物生长发育有关的环境因子,是如何影响植物生长的。

  我们已经知道,高等植物是在地球条件下进化、生长的。比如,地球上所有的生物都是在地球重力环境中进化而来的,失重会对植物生长产生什么影响?再比如,高等植物的营养生长与生殖生长之间存在重要相关性,比如以收获营养体(如蔬菜的叶子)为主的作物,较长营养生长期可以使其产量大为增加。太空环境会不会改变植物的生长期?同时,由于地球绕太阳公转和自转,产生了季节更迭与昼夜变化。这种周期性变化在植物体内形成稳固的内在系统,已有研究证明植物体内存在一套可以感知季节变化和昼夜交替的信号系统,也称为光周期反应。在不同于地球周期的太空中,植物会如何“应对”?

  这些都是科学家们想解开的迷题。当地球植物飞向太空,不再有重力,昼夜周期不再是24小时,也不再有四季变化——国际空间站上每24小时中有16次日出与日落,不再没有上下方向,植物的生长、发育和代谢活动会有怎样的变化?

  虽然国内外在太空已进行了多次植物生长试验,但并没有完全阐明其中的机理,特别是植物在微重力条件下开花的调控机制,目前尚未有报道。

  天宫二号中的高等植物培养实验正是针对粮食和蔬菜的空间种植问题,选择了典型的粮食植物水稻和绿色高等十字花科模式植物拟南芥为研究对象,利用天宫二号空间实验室中的微重力环境,来研究在太空种植高等植物种植所面临问题,寻求解决办法。

  选择这两种植物还有一个考虑:地球上高等植物受光周期诱导开花,分为“长日”和“短日”两种典型的反应途径——拟南芥是一种长日植物,而水稻是一种短日植物。为了搞清楚其中的机理,科学家们构建了绿色荧光标记开花基因的转基因植株,通过实时的可见光和荧光图像技术,可以观察微重力条件下两种植物从种子萌发、幼苗生长到开花发育全过程。科学家们认为,这一实验将为解析微重力条件下高等植物形态建成,为营养生长向生殖生长转变过程的调控机理提供新知识,对植物栽培和品种选育等都有重要意义。

  此外,研究中使用的部分拟南芥样品,还将随本次载人航天任务的回收单元返回地球,供科学家们进行后续研究。这将为人类了解空间微重力条件下高等植物种子发育与营养贮藏物质的形成,提供第一手材料。

 

 

实验项目解读及图片由中科院空间应用工程与技术中心、中科院上海光机所、中科院高能所、中科院上海植生所、中科院长春光机所提供。 

《光明日报》( 2016年09月16日 06版) 

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