圖說:成大物理系教授楊毅(前排右2)及團隊,與漢翔研發團隊與丁肇中院士(前排中)與夫人在漢翔合影。
包括國立成功大學、中央研究院、中山科學研究院與漢翔航空等台灣團隊參與的美國太空總署AMS實驗,利用過去11年做出的最新研究顯示,一個完整的太陽周期,電子與質子的能量分布隨著時間的變化有顯著的不同。台灣中央研究院物理所張元翰特聘研究員表示:「這是人類首次精確測量一整個太陽週期內,宇宙射線中不同電性粒子的流量變化。研究結果顯示了現有的理論無法解釋的趨勢,對太陽系內太空環境研究提供了關鍵的數據基礎。」而這個出乎預期的結果發表於物理評論快報(Physical Review Letters)上,並受到編輯特別推薦並選為特別新聞發表研究,顯示了該研究的重要性。
阿爾法質譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer, AMS)探測器是架設在國際太空站上的高能粒子探測器(如上圖),其主要任務是精密研究宇宙射線的特性以及了解宇宙生成的密秘。AMS實驗是個大型的國際合作實驗,由諾貝爾得主丁肇中院士領導的國際研究團隊,包括了美國、德國、法國、義大利、中國大陸、台灣等國家共同參與,其中台灣團隊包括了中央研究院、成功大學、中科院與漢翔航空。
圖說:AMS實驗安裝於國際太空站上。
成大物理系教授楊毅解釋,在這個太空發展爆炸的時代裡,不論是在GPS導航、低軌通訊等等,都與我們每個人的日常生活息息相關,因此在設計用於太空中的儀器以及規劃未來人類去太空探索時,必須要非常了解宇宙輻射帶給這些儀器與我們身體的影響,其中最重要的宇宙輻射來源之一就是由太陽風暴所產生的高能粒子。
圖說:電子與質子的能量分部(右)隨不同年份與(左)隨不同天的變化。
AMS實驗利用過去11年(也就是一個完整的太陽周期)所做出的最新的研究結果顯示,電子與質子的能量分部隨著時間的變化有顯著的不同,不但在不同年份時電子跟質子的能量增減趨勢不同外(如圖二左,2011-2014時電子與質子能量隨著時間同時遞減,但2015開始電子與質子能量卻隨著時間遞增,而到2021年時又再度承線遞減狀態),在短時間的周期中也有明顯的差異(如上圖右,電子明顯在第9天、13.5天與27天時有明顯的周期現象,但質子卻沒有)。
要能夠精準從大量的帶正電的質子(絕大部分的宇宙射線)中分辨出帶負電的電子,必須仰賴AMS探測器中的磁鐵以及精密軌跡探測器。而中研院、成大、中科院與漢翔航空在2017年至2020年所參與的AMS-02 UTTPS升級計畫就是確保精密軌跡探測器可以持續運行到AMS任務結束為止。中研院與中科院所負責的UTTPS電子學系統,以及成大與漢翔所共同研發與製作的UTTPS散熱板,都是整個AMS-02 UTTPS計畫中的關鍵部分,台灣團隊的成果也受到丁肇中院士以及美國太空總署(National Aeronautics and Space Administration,縮寫為NASA)的極力肯定。
為了更進一步了解宇宙射線的特性,AMS實驗需要在國際太空站結束任務前收集更多的數據資料,因此2022年丁肇中院士決定再次進行AMS探測器升級, 而此次升級計畫包括了增加一層面積超過2.6 平方米的精密軌跡探測器(Tracker Layer-0)在AMS探測器的最上層。另外,在經過11年的運行,位在電源控制系統(Power Distribution System, PDS)上的輻射板已經老化並變質,因此也需要進行維修來確保AMS探測器可以持續運行,因此台灣團隊再次扛起重任,由中研院與中科院合作進行Tracker Layer-0的電路製作以及電子學系統的設計與製作,以及成大與漢翔團隊再次合作進行PDS散熱板(PDS Radiator)的研發與製作。
丁肇中院士與NASA的AMS-02計畫辦公室主任Mr. Ken Bollweg於2022年底特別赴台了解升級計畫進度,不但參訪中科院了解電子學系統進度,還參觀了漢翔航空台中廠,並由PDS Radiator計畫負責人成大物理系教授楊毅向丁肇中院士解釋目前進度。成大與漢翔團隊在此計畫中負責了設計、模擬到製作,並與NASA工程師緊密合作確保所製作的散熱板能夠滿足嚴刻的太空環境。
2023年3月21至23日在美國休士頓的詹森太空中心舉辦了AMS-02升級計畫的初期設計審查會議(Preliminary Design Review, PDR),成大與漢翔團隊受邀到休士頓參與會議並向NASA審查委員會報告目前進度,會議中由成大教授楊毅報告PDS radiator的研發進度與漢翔航空謝福湧組長報告製作進度,而中研院與中科院代表楊扶國在線上報告電子學系統進度。此次初期設計審查會議中AMS團隊的報告遠超過一般太空任務的表現,因此在3月31日NASA的會議中正式核準AMS-02升級計畫,確定此任務可以一直進行到升空並安裝於位在國際太空站的AMS探測器上,此升級計畫預計在2025年底前完成並升空。
楊毅表示,「這是一個非常具有挑戰的任務,不但是研發我們從來沒有做過的事情,還需要滿足各種困難的條件並隨時因應任務的變化,因此我們必須結合各方的資源與能力一同完成,這不但是成大與漢翔再一次攜手進行任務,也是整個台灣團隊在太空技術發展的突破。」