科研人員一直致力于研究控制激光，讓激光在深太空依舊”聽話“地工作。最近一研究團(tuán)隊(duì)為“蜻蜓”探測(cè)任務(wù)（計(jì)劃于2026年發(fā)射升空，并于2034年抵達(dá)土衛(wèi)六）制造低成本、高效的激光，助力探測(cè)極寒土衛(wèi)上的生命起源，獲取時(shí)空脈沖。

在土星（Saturn）的天然衛(wèi)星土衛(wèi)六（Titan，土星最大的衛(wèi)星）上，液態(tài)甲烷和其他碳?xì)浠�合物如雨般落下，在冰凍的水面�?ldquo;雕刻”出河流、湖泊和海洋。這個(gè)冰冷世界上的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)可能與生命最初出現(xiàn)在地球上的時(shí)期極為相似，或者它可能產(chǎn)生一種全新的生命類型。想象一下更遠(yuǎn)的地方——幾光年之外的深空，一個(gè)黑洞撕碎了一顆死星的超密度核心，扭曲了空間本身的結(jié)構(gòu)，并發(fā)出穿越宇宙的時(shí)空波，是不是感覺尤其神奇和震撼？

Dragonfly無人機(jī)探測(cè)器    來源：EAPS

在馬里蘭州綠帶城戈達(dá)德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的太空激光裝配潔凈室( Space Laser Assembly Cleanroom，SLAC)里，激光和光電部門正在為NASA的蜻蜓（Dragonfly）號(hào)探測(cè)器和歐洲航天局(歐空局)的“激光干涉空間天線(LISA)”制造激光，該天線將測(cè)量大規(guī)模碰撞引起的時(shí)空波。

瑞士電子和微技術(shù)中心(CSEM)的測(cè)試臺(tái)上擺放著的第一臺(tái)激光樣機(jī)。CSEM將對(duì)激光進(jìn)行測(cè)試和表征，用于LISA在太空中進(jìn)行引力波實(shí)驗(yàn)。來源：歐洲航天局/CSEM

美國(guó)宇航局物理學(xué)家Barry Coyle說：“要完成這項(xiàng)工作并不容易，因?yàn)橐磺卸急仨毷�分完美，不能有一絲瑕疵。而控制激光很難。通俗點(diǎn)來說它們有點(diǎn)像是帶有惰性的工作者，工作起來總會(huì)帶點(diǎn)‘脾氣’。這就是為什么在一個(gè)地方組裝它們對(duì)生產(chǎn)效率和成本控制至關(guān)重要。這也正是SLAC形成的初衷。“

SLAC是在“冰衛(wèi)星-1”(ICESat-1)發(fā)射后就著手構(gòu)思、設(shè)計(jì)的。ICESat-1搭載了地球科學(xué)激光測(cè)高儀系統(tǒng)（由馬里蘭大學(xué)和Goddard聯(lián)合制造）。根據(jù)研究人員解釋，盡管其激光效果很好，但在美國(guó)宇航局之外生產(chǎn)太空飛行激光系統(tǒng)可能既昂貴又低效。而激光在內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)，這些費(fèi)用可以大幅減少。此外，可以節(jié)省時(shí)間和精力。

約翰·霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室探測(cè)器相關(guān)工作人員

目前，該團(tuán)隊(duì)正在SLAC為蜻蜓探測(cè)器開發(fā)一種紫外激光器——蜻蜓質(zhì)譜儀激光器，包括一架用于在土衛(wèi)六表面多次停留的旋翼機(jī)著陸器。該著陸器是在馬里蘭州的約翰·霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建造的，將攜帶全套儀器對(duì)材料進(jìn)行采樣，并進(jìn)一步了解土衛(wèi)六表面組成和其他特性。

蜻蜓質(zhì)譜儀(Dragonfly Mass Spectrometer,DraMS)激光:THANOS(Throttled Hydrocarbon Analysis by Nanosecond Optical Source，納秒光源節(jié)流烴分析)工程模型。來源：NASA/Matt Mullin

Goddard激光工程師Matt Mullin目前正在研究DraMS激光器，他的日常工作包括構(gòu)建或校準(zhǔn)硬件、構(gòu)建激光器或運(yùn)行子組件測(cè)試。“通常而言，紫外線激光束將向下聚焦到一個(gè)樣品杯中，樣品杯中裝有土衛(wèi)六的一些表面材料。光束將從樣品中解吸分子化合物，并激發(fā)離子(帶凈電荷的原子和分子)、吸收到質(zhì)譜儀中，從而使科學(xué)家可以用質(zhì)譜儀來檢測(cè)樣品的成分。”

SLAC熱真空室，用于對(duì)航天級(jí)激光系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境測(cè)試。ICESAT-2號(hào)和GEDI激光雷達(dá)探測(cè)器利用該真空室進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)鑒定和風(fēng)險(xiǎn)降低測(cè)試。隨后會(huì)就飛行和工程模型蜻蜓質(zhì)譜儀激光器以及工程模型LISA激光器進(jìn)行測(cè)試。來源：NASA/Matt Mullin

Mullin說：“我們過去曾向土衛(wèi)六發(fā)射過探測(cè)器，但這一儀器和此次任務(wù)注定要對(duì)這個(gè)非常有趣的衛(wèi)星在之前的探索中所涉及的許多謎團(tuán)進(jìn)行詳實(shí)解答。探索這個(gè)衛(wèi)星是否有可能孕育任何形式的生命將會(huì)非常有趣。”

然而，極冷的溫度和土衛(wèi)六大氣層及其表面的甲烷對(duì)探測(cè)構(gòu)成了障礙。如何讓激光到達(dá)那里，又如何讓它在那里“聽話”地工作？這是兩個(gè)最突出的挑戰(zhàn)。

要想解決這些問題，儀器要盡可能小，重量和能耗要最小化。除此之外，還需要完美的條件才能讓激光正常工作，讓光“聽話”。SLAC有助于讓科研人員擁有一個(gè)中心位置進(jìn)行光學(xué)粘合、組件清潔和所有基礎(chǔ)設(shè)施的其他操作。

除此之外，美國(guó)宇航局為歐空局領(lǐng)導(dǎo)的LISA任務(wù)所設(shè)計(jì)的激光也將在實(shí)驗(yàn)室建造。LISA將是第一個(gè)空時(shí)（space-time ）波/引力波天基觀測(cè)站。歐空局希望通過測(cè)量黑洞碰撞等極端劇烈事件產(chǎn)生的空間引力波來檢驗(yàn)愛因斯坦的引力理論。

LISA的產(chǎn)品開發(fā)負(fù)責(zé)人Anthony Yu說：“LISA激光器有許多嚴(yán)格的要求，需建立現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試站，在構(gòu)建過程中驗(yàn)證激光器的性能。SLAC允許我們建立專門的測(cè)試站來實(shí)時(shí)測(cè)試激光，并在組裝后進(jìn)行熱真空循環(huán)測(cè)試。” 

“SLAC的獨(dú)特之處在于擁有一個(gè)集中的地點(diǎn)來開發(fā)、建造和測(cè)試太空飛行激光系統(tǒng)，”Goddard激光和電子光學(xué)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人Paul Stysley說。“產(chǎn)品流程和基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)到位，可以為太空飛行任務(wù)開發(fā)、環(huán)境測(cè)試和監(jiān)控激光設(shè)計(jì)等提供全流程服務(wù)，從而顯著降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本。” 

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