人類首次精準測量太陽週期關鍵數據 影響未來太空任務 美國太空總署核准最新AMS實驗升級計畫 台灣團隊為幕後重要功臣
文／楊毅、葉佳彬 圖／楊毅提供
包括國立成功大學、中央研究院、國家中山科學研究院與漢翔航空工業股份有限公司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，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。
圖一：AMS實驗安裝於國際太空站上
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（如圖一），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。
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。
圖二：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（如圖二右，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。
圖三：成大物理系楊毅教授（右1）向丁肇中院士（中）解釋目前 AMS-02 PDS Radiator 的進行進度
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楊毅教授向丁肇中院士解釋目前進度（如圖三）。成大與漢翔團隊（圖四）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。
圖四：成大與漢翔研發團隊與丁肇中院士（中）與夫人在漢翔合影
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，會議中由成大楊毅教授報告 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 的會議中正式核准 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。
楊毅教授表示，「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。」
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更新日期:
2023-04-19