Technologie

Klucz do tajemnic materii

Komputerowa grafika przedstawiająca AMS
Wizualizacja obserwatorium, które zostanie zamontowane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Komputerowa grafika przedstawiająca AMS

Wizualizacja obserwatorium, które zostanie zamontowane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Ekran, z którego czytasz te słowa, zbudowany jest z materii. Tak samo zresztą jak całe Twoje otoczenie i Ty sam. Materia otacza nas przez cały czas i jest tak powszechna, że rzadko zadajemy sobie pytanie: czym właściwie ona jest?

Być może po części jest tak dlatego, że odpowiedź na to pytanie nie jest wcale łatwa. Ze szkoły oczywiście pamiętamy, że materię tworzą atomy, niegdyś uważane za niepodzielne – dzisiaj wiemy, że zbudowane są z neutronów, protonów i elektronów. Taka odpowiedź przestaje jednak wystarczać, gdy weźmiemy pod uwagę dwa fakty.

Po pierwsze: z teorii Wielkiego Wybuchu wynika, że oprócz powszedniej nam materii (zwanej koinomaterią), we Wszechświecie powinna znajdować się taka sama ilość antymaterii, czyli „materii” zbudowanej z cząsteczek takich jak pozytrony (elektron o dodatnim ładunku elektrycznym), antyprotony i antyneutrony. Tymczasem nie udało się jak dotąd zaobserwować naturalnych skupisk antymaterii. Ta niezgodność przewidywań teoretycznych z obserwacjami w zrozumiały sposób budzi ciekawość w świecie naukowym.

Po drugie: gdy dodamy do siebie masy wszystkich znanych nam skupisk koinomaterii, dostaniemy w wyniku zaledwie niecałe 5% szacowanej masy całego Wszechświata. Skąd się bierze pozostałe 95%? Tak naprawdę nie wiemy skąd. Szacuje się, że 23% masy Wszechświata pochodzi z czegoś, co umownie nazywamy ciemną materią, a pozostałe 72% z czegoś co nazywamy ciemną energią. Trzeba przy tym zaznaczyć, że obie te nazwy są czysto umowne, ponieważ faktyczna natura obu tych zjawisk nie jest jeszcze znana.

Narzędziem, które być może pozwoli rzucić trochę światła na te dwa tematy, jest Alpha Magnetic Spectrometer – w skrócie AMS. Jest to ważące blisko 8,5t obserwatorium cząstek elementarnych, które w najbliższych dniach (podczas ostatniej misji wahadłowca Endeavour) ma zostać zainstalowane na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

AMS podwieszony pod dźwigiem

AMS podwiedszony pod dźwigiem w centrum integracji w Centrum Kosmicznym Kennedy'ego

Warto zwrócić uwagę, że AMS to nie teleskop. Teleskopy rejestrują fotony, a więc promieniowanie elektromagnetyczne. Zadaniem AMS jest rejestrowanie promieni kosmicznych, a więc naładowanych elektrycznie cząstek elementarnych, które wyrzucane są z olbrzymią prędkością przez wybuchy supernowych i inne gwałtowne zjawiska kosmiczne.

Podstawowym elementem AMS jest potężny magnes trwały w kształcie pustego walca, zbudowany z ponad 6000 części o specjalnie dobranym kształcie. Pole magnetyczne magnesu jest tak uformowane, aby nie wydostawało się poza urządzenie i nie powodowało zakłóceń w funkcjonowaniu stacji kosmicznej. Co ciekawe, ten element był już częścią prototypowego urządzenia, które przez 10 dni prowadziło obserwacje cząstek elementarnych z pokładu wahadłowca w 1998r.

Wewnątrz magnesu umieszczono wiele warstw detektorów, dzięki którym można śledzić tor obserwowanej cząsteczki. Tor cząstki posiadającej ładunek elektryczny będzie zakrzywiony przez pole magnetyczne. Kierunek i wielkość tego odchylenia dostarczy nam informacji o masie i ładunku zaobserwowanej cząsteczki.

Inne detektory, umieszczone po obu stronach walca, mierzą czas przelotu cząstek przez AMS, co pozwala zmierzyć ich prędkość (i to z zaskakującą dokładnością). Ze względu na duży zakres energii jaką mogą mieć cząstki elementarne konieczne było zastosowanie aż trzech różnych detektorów do pomiaru prędkości.

Obejrzyj film (MOV ~200MB) o działaniu AMS

Szacuje się, że AMS będzie rejestrował około 25000 cząstek elementarnych na sekundę. Olbrzymia ilość detektorów rejestrujących tor cząstki oznacza, że urządzenie będzie generowało około 1GB danych na sekundę. Przesyłanie takiej ilości danych z orbity na Ziemię nie jest obecnie możliwe, w związku z tym w urządzeniu zamontowano w sumie ponad 600 procesorów (dodatkowo zabezpieczonych przed promieniowaniem kosmicznym), które zajmą się wstępną obróbką danych tak, aby na Ziemię przesyłać tylko około 0,25MB/s.

AMS prawdopodobnie nie da bezpośrednich odpowiedzi na pytania o antymaterię i ciemną materię. Zebrane przezeń dane powinny jednak pozwolić nam na dużo lepsze zrozumienie tych zjawisk. Z inżynieryjnego punktu widzenia warto zwrócić uwagę, na możliwości jakie daje stała stacja orbitalna. Cała infrastruktura wspierająca, czyli zasilanie, napęd i komunikacja dostarczana jest do AMS przez Międzynarodową Stację Kosmiczną, co pozwala ograniczyć i tak niemałe koszty całego obserwatorium.

Więcej informacji:

Print Friendly, PDF & Email

O autorze

Michał Jarosz

Inżynier automatyki i robotyki. Utrzymuje się z projektowania systemów bazodanowych. Dorywczo koordynator badań klinicznych. Członek Association for Computing Machinery. Założyciel i opiekun zespołu obliczeń rozproszonych BOINC@Poland. Na koncie jeden maraton i aspiracje do kolejnych.

  • wiertel

    Duże energie i dużo danych. Skojarzyło mi się to z LHC. Ale tam można kontrolować zderzenia.
    Dużo jest w promieniowaniu kosmicznym cząsteczek o energii takiej jakie uzyskuje się w LHC?

    • Dużo. I dużo jest o jeszcze większej energii.

      Bardzo słusznie Ci się kojarzy z LHC, bo zasada działania detektora jest podobna. W LHC (i innych akceleratorach) sami próbujemy wytworzyć egzotyczne formy materii. Na orbicie możemy obserwować to, co powstało w naturze.