阿尔法磁谱仪（AMS）从国际空间站（ISS）外的有利位置，在过去的8.5年中一直在收集以接近光速在太空中移动的带电宇宙射线。与地球上的粒子探测器不同，AMS 没有连接到加速器，而是研究存在于太空真空中的目标，这些目标未受地球大气层相互作用的影响。该实验旨在解决宇宙中一些最大的难题，例如构成似乎主导宇宙的缺失暗物质的物质是什么，以及为什么宇宙包含的物质多于反物质。
到目前为止，AMS 已经研究了超过 1450 亿条带电宇宙射线，产生了 16 篇科学论文和大量有趣的问题。然而，2014 年出现的实验冷却系统问题威胁要缩短这项科学工作。美国国家航空航天局决定在 11 月 15 日开始的四次复杂而精细的太空行走（或舱外活动，EVA）中更换故障硬件。如果成功，AMS 应该能够继续获取数据多年，有可能解决迄今为止发现的一些令人困惑的发现。
引人入胜的谜团
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AMS 揭示的首批谜团之一与入射正电子（电子的反物质对应物）的能量有关。它发现正电子谱在 250 亿电子伏特 (GeV) 处急剧上升，攀升至约 300 GeV，然后急剧下降并在 1,000 GeV 左右截止。“这完全不规则，”麻省理工学院诺贝尔奖得主物理学家塞缪尔·丁说，他领导着由 600 名成员组成的 AMS 科学团队。
丁说，最合理的解释是，这个由 16 个国家的 56 个机构参与的项目正在看到相对高质量的暗物质粒子碰撞的副产品。然而，这种奇特的模式也可能源于附近的脉冲星或其他现象。
“正电子的下降很有趣，无论它是暗物质、脉冲星还是其他物质引起的，”麻省理工学院粒子物理学家特蕾西·斯莱特说。“如果是暗物质，它会让你更准确地掌握其质量需要是多少。如果是来自本地脉冲星，那么它会告诉你一些关于来自这些脉冲星的粒子如何在星系中传播的重要信息。[通过] 更好地测量高能截止，目前统计数据非常有限，也许你可以排除其中一种解释。”
另一个有趣的发现是 AMS 对反氦粒子的探测——氦的反物质对应物，它包含两个反质子和一个反中子——AMS 研究人员尚未发表的结果。“我们想确保我们也能看到反碳和反氧，”丁说。“我们有不到 10 个反氦信号，反氦与氦的比率是百万分之一。这就像在美国人口中寻找三个人。”
维修工作
更明确的答案只能来自 AMS 的更多数据，AMS 于 2011 年 5 月在航天飞机奋进号的最后一次飞行中安装在国际空间站上。这个耗资 20 亿美元的探测器包括五个科学仪器、30 万个电子通道和 650 个快速处理器，是一台神奇的机器。但它并非设计为可维修的，尤其不是由戴着手套和身穿太空服的宇航员在微重力环境中碰撞来维修。AMS 冷却系统包括四个小型泵，每个泵都配备一个四分之一大小的叶轮，该叶轮以每分钟 6,000 转的速度旋转，以使六克二氧化碳在系统中移动。一次只使用一个泵，每个泵的设计寿命为三年，因此理论上，该系统应该可以使用 12 年。但第一个泵的故障方式引起了对其他泵的担忧。“我们逐渐意识到这些泵本身就是糟糕的设计，”美国国家航空航天局 AMS 项目经理马克·西斯蒂利说。
事实证明，这些泵没有足够的内部润滑，并且正在缓慢地将自己磨损，这导致它们卡住。美国国家航空航天局启动了一项工作，以弄清楚太空行走的宇航员更换冷却系统是否可行。“我们真的不想看到 AMS 因为缺乏这种冷却而失败，”西斯蒂利说。美国国家航空航天局借鉴为哈勃太空望远镜的五次航天飞机维修任务开发的技术和工具，牵头制定了一项为期四年的计划，以类似地维修 AMS。
除了新的泵系统外，工程师和技术人员还为这项工作设计、原型制作和测试了约 25 种专用工具，并安排将所有物品通过三艘不同的货船运送到空间站。该机构还培训了国际空间站机组人员，欧洲航天局的卢卡·帕尔米塔诺和美国国家航空航天局的安德鲁·摩根，为即将到来的艰苦工作做好准备。
当宇航员上个月漂浮到空间站气闸外进行计划的四次太空行走中的第一次时，AMS 只剩下一个泵，每月大约以 60% 的占空比工作，并且几乎耗尽了二氧化碳冷却剂。“我们知道第四个泵出故障只是时间问题，”西斯蒂利说。
精细的操作
在第一次 6.5 小时的外出中，帕尔米塔诺和摩根拆除了一个保护性碎片防护罩，并将其吊入太空，这样它就不会对空间站构成未来的撞击威胁。然后，宇航员拆除了绝缘材料和一个内部 AMS 支撑梁的盖子，露出了 10 根不锈钢管，每根管子的宽度都像苏打水吸管。六根管子将在下一次太空行走中被切割并拼接成新的泵组件，另外两根管子将在探测器的另一侧拼接。一周后，宇航员再次外出工作了六个小时，小心翼翼地切割了八根冷却剂管线，永久禁用了原始冷却系统。在 12 月 2 日的第三次外出中，他们安装了新的热管道系统。
第四次也是最后一次 AMS 维修太空行走的时间尚未确定。在那次外出中，宇航员将修复拼接管道线中可能出现的任何泄漏，这些管道线尚未加压。他们还将在新的泵箱上安装一个绝缘帐篷，以帮助调节温度。
冷却系统对于 AMS 核心部件的运行至关重要——九层硅径迹探测器，用于测量穿越粒子的轨迹和电荷。AMS 强大的磁铁会弯曲入射粒子的路径，根据它们是带正电荷还是负电荷，将每个粒子转向不同的方向。在磁场中测量粒子的曲率也可用于计算动量。科学家们正在慢慢地将 AMS 的能量和动量测量结果组合成宇宙的点彩画——以及可能是新的——视图。
美国国家航空航天局在第四次太空行走之后才会知道 AMS 是否恢复运行。“我们基本上只是做了一次心脏移植手术，”美国国家航空航天局约翰逊航天中心 AMS 项目经理肯·博尔韦格在休斯顿说。“我们的目标是让它至少再运行 11 年，或者只要空间站还在轨道上运行。”
尽管情况复杂，但美国国家航空航天局从未对修复 AMS 是否值得花费时间和精力犹豫不决。“这就是空间站的用途：开展其他任何地方都无法开展的科学研究，而且规模也是其他任何地方都无法达到的，”国际空间站主任塞缪尔·西米米说。“我不知道丁博士的科学研究在短期内是否会带来任何实际应用。但是，如果这项研究最终证明在以前没有人做过任何工作的领域为我们人类的存在增添了价值，那就已经足够有价值了。”