“天宫二号”之号字篇：从种庄稼到寻找伽马暴，“天宫”里那些“天大的实验”

文/ 记者 李乃麟

特别感谢
中国科学院空间应用工程与技术中心(总体部)
中国科学院上海光机所量子光学重点实验室主任 刘亮
中科院上海生科院植物生理生态研究所研究员 郑慧琼
中国科学院粒子天体物理重点实验室主任、伽马暴偏振探测仪首席科学家 张双南
中国科学院力学研究所研究员、“液桥热毛细对流”研究项目主任设计师 康琦
中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术院重点实验室研究员 张云华
中国科学院国家空间科学中心空间环境探测研究室

▲空间冷原子钟( 上海光机所供图 赵侃 拍摄)

如果称天宫二号将是“最忙碌的空间实验室”这个名头并不为过：身上搭载50多项各类设备，光科学实验就有14项。下面，咱们就从这14项实验里，挑那些最有分量的“干货”给大家说说。

在太空里放一只最准的钟 三亿年只误差一秒

首先出场的是一只钟。也许你会问，这有什么好稀奇的?听完这两个理由，你就不会再有这种疑问了。第一，身份尊贵——它是人类历史上第一台在轨进行科学试验的空间冷原子钟;第二，精度奇高——每三千万年到三亿年才会误差一秒。

为什么会走的这么准呢?秘诀就是两个字——“高冷”。

“高”是指它身在太空。在微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动，基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息，从而可以获得更高精度的原子钟信号，实现在地面上无法实现的性能。

“冷”，顾名思义，当然就是冷却、降温的意思。具体到这只钟，它的冷体现在应用了激光冷却技术，原子气体被冷却至极低的温度，极大地消除了原子热运动对原子钟性能的影响。用激光的方法将原子温度从室温降低到接近绝对零度。对这些几乎不动的原子进行测量，结果当然会更加准确。

把这样准的钟放在太空，太空中就有了一个高精度的时间基准。有了这个基准，就可以对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准，使得基于空间冷原子钟同步的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。

在太空中“种庄稼” 航天员需要参与的实验

这次“种庄稼”可不是除草、浇水、施肥，而是要研究微重力条件下高等植物从种子到种子的生长发育规律，探索微重力条件下植物的光周期诱导开花规律与调控机理。

中科院上海生科院植物生理生态研究所研究员郑慧琼说，“天宫二号上的植物实验选择了典型的粮食植物水稻和绿色高等十字花科模式植物拟南芥为研究对象。研究微重力对于‘开花素’的产生和运输是否产生影响。”

那在太空中种庄稼究竟有什么难点呢?郑慧琼说：“太空上的植物实验非常难做，浇水就是一个大难题。在地球上有重力，水浇到花盆里就会下沉到底部，但是在太空里给植物浇水，水会飘着，水量也要反复研究。”

负责为“天宫二号”的实验研制植物培养箱的中科院上海技术物理研究所研究员张涛说：“为期6个月的长周期空间密闭培养植物，在中国还是第一次。”在‘天宫二号’高等植物培养实验中，为了使生物学家能够介入空间实验过程，我们设计的培养箱对生物学家关注的主要实验参数都可以通过遥控指令来调节，比如光照周期、温度、湿度、营养液供给等都可以控制。

▲伽马暴偏振探测仪内部结构。1600 根塑料闪烁棒就放置在左侧25 个方格内，每个方格内放置

在太空中寻找伽马射线暴 天宫二号上唯一一个国际合作项目

在天宫二号的顶部，“趴”着一个大约30千克重的“方盒子”。这么小的东西却是寻找宇宙中最强大能量爆发——伽马射线暴的“利器”。

伽马射线是能量最强的电磁波，它的能量比可见光大几十万倍以上。在太空中产生的伽马射线无法穿透地球大气层，因此无法到达地球的低层大气层，只能在太空中被探测到。

伽马暴在宇宙中随机地爆发，然后陷入黑暗。伽马暴强烈的伽马射线能够杀死一定范围的宇宙生命。幸运的是，迄今科学家发现的所有伽马暴都远在银河系之外，距离很遥远。这台设备的作用就是帮助人类理解这激烈又短暂的瞬间灿烂是如何产生的。

在整个天宫二号在轨运行的两年时间里，这台仪器将基本保持全程开机状态。中国科学院粒子天体物理重点实验室主任、天宫二号伽马暴偏振探测仪首席科学家张双南说，“这个探测器可以被称为望远镜，但它跟一般的望远镜不一样，有很多敏感的元件用来探测偏振，类似于蜜蜂和蜻蜓等昆虫的复眼，所以我们给它起名叫‘小蜜蜂’。探测器由1600根塑料闪烁棒组成一个阵列，犹如1600个小眼组成一只复眼。我们希望能够第一次精确探测到伽马射线暴偏振信息，希望通过这个仪器能够把伽马射线暴产生的过程看得更清楚。我们另外一个重要任务就是研究引力波产生的时候，是否有伽马射线暴。这样我们就可以知道产生引力波的事件究竟是怎么回事。这个研究是很有趣的。”

太空中“搭液桥” 研究奇特的“热毛细流动”

▲液桥这种现象其实在地面上也经常能见到( 网络图片)

这个你不熟悉的“液桥”，其实你早就见过。把你的两个手指沾满水，先把指尖并拢，再轻轻拉开，看到了吧，指间的小液柱就是“液桥”。

这又有什么用?问得好!虽然你不能站在这样的桥上看风景，但是液桥在我们的生活中发挥着重要的作用。比如你可以在沙滩上搭建沙雕城堡，是因为水在沙粒之间形成了液桥，使得散沙能够凝聚成团。再比如毛笔蘸了墨水后能形成笔锋，也是应为墨水在笔毫间形成了液桥。

而在微重力环境下，重力消失后，液体表面张力大显神威。于是，就可以建立起大尺寸的液桥。科学家要尝试在太空里做出130多种不同情况的液桥，有的胖，有的瘦，有的高，有的矮。这一空间实验的目的是要利用这种在地球上不可能建造出来的大尺寸的液体的桥，来研究在温差诱导的表面张力驱动下，其液体会有什么样的特殊流动规律。

在太空中测量海平面 全球第一个三维微波高度计

在天宫二号的两侧，各有一个类似于平板天线的东西，它就是全球第一个能够三维成像的、高精度的、宽刈幅的微波高度计。相比于传统海洋高度计的观测刈幅仅为几公里，天宫二号微波高度计的观测刈幅达到几十公里，观测效率和性能得到了极大的提升，进而可提高对海洋环境的监测效率和对海洋灾害预报的能力。

在太空中预报“天气” “天地互动”的空间环境系统

雾霾?狂风?暴雨?冰雹?沙尘暴?这些问题，太空上的确不存在。不过，航天员和航天器进入太空后，却同样要面临一个充满威胁的 “世界”。这个世界就是航天人所常说的空间环境。用两个关键词来说这个环境：一个是辐射，一个是大气。

辐射，大家都不陌生，譬如福岛核辐射问题曾经引发恐慌。而大气有可能导致航天器轨道下降，甚至寿命降低，大气的扰动，还会让航天器定轨精度下降。另一方面，大气中的氧原子具有很强的氧化能力，它能剥蚀航天器表面材料，从而使其性能下降。而且，微小的颗粒附着在航天器表面，特别是光学器件表面，还会引起器件的污染，性能减弱等。

怎么办?那就要靠空间环境系统来应对了。空间环境系统由3台仪器组成，分别是带电粒子辐射探测器、轨道大气环境探测器和空间环境控制单元。当然，空间情报局做好了，还需要一批人来进行预报，他们就是中科院空间环境预报中心的科研人员，所谓的“天地互动”就是在他们和这套系统之间发生的。高能带电粒子、等离子体、中高层大气、电磁辐射、引力场、电场、磁场、流星体和碎片等等，这些都是他们时刻盯着的对象。