当 NASA 发射星尘号时，他们无法取回其样本

8月14日，加州大学伯克利分校的研究人员公布了美国宇航局星尘号探测器的惊人发现：该探测器在深空航行中捕获了七块微小的星际岩石碎片，这是首批确认的来自太阳系以外的完整尘埃样本。

许多人不知道的是，即使安全返回，这次任务也可能完全失败。星尘号于 1999 年 2 月 7 日发射，飞行了七年，遇到了两颗外星天体——维尔特二号彗星和 5535 安妮弗兰克小行星——同时收集了太空尘埃带回进行分析。但在发射时以及之后的几年里，NASA 没有人计划移除和研究探测器捕获的任何亚微观太空尘埃颗粒（如果它能返回的话）。

事实上，直到星尘号发射四年后，加州大学伯克利分校的安德鲁·韦斯特法尔和他的团队才开始想办法找回飞船上珍贵的货物。

“当你拿着气凝胶时，就像拿着一个幽灵。你感觉不到它的重量，而且你能一眼看穿它。”

加州大学伯克利分校空间科学实验室的物理学家兼高级研究员韦斯特法尔告诉《大众科学》 ：“我很早就参与其中了，但在发射时，提取过程尚未解决。” “我们认为这是一个有趣的问题，所以我们接受了它并开发了提取粒子的标准技术。”

2006 年 1 月 15 日，星尘号的样品返回罐通过降落伞返回地球。提取过程非常精细，也非常复杂，因此韦斯特法尔和他的实验室一直致力于此。

棘手之处都在于气凝胶，这是一种用来捕捉颗粒的非常奇怪的物质。在太空中，尘埃移动速度极快。据 NASA 称，有些颗粒的撞击速度可达步枪子弹速度的六倍。因此，为了成功捕捉这些沙砾，你需要以一种不完全消灭它们的方式减慢材料的速度。这就是气凝胶的作用所在。

气凝胶是一种多孔结构、重量轻的固体，其中 99.8% 的成分是空气。这种材料最初是凝胶，主要成分是液体，但经过复杂的加热过程，气体取代了液体。这形成了一种海绵状材料，几乎和空气一样轻，导热性差，而且几乎透明。

在星尘号之前，气凝胶实际上仅用于物理实验，因为它能够以最小的加热速度减慢并捕获高速粒子。因此，当星尘号副首席研究员 Peter Tsou 寻找捕获太空尘埃的方法时，气凝胶似乎是自然而然的选择。“当粒子撞击气凝胶时，它会埋入材料中，形成一条胡萝卜形的轨迹，其长度可达自身长度的 200 倍。这会减慢速度并使样本相对缓慢地停止，”NASA 在其网站上写道。

星尘号探测器在一个形似网球拍的收集器中安置了 90 块气凝胶瓦片，提供了超过 1,000 平方厘米的气凝胶表面积。

韦斯特法尔表示，问题在于气凝胶的使用难度极大。“感觉就像它不存在一样，”他说。“当你握着它时，就像握着一个幽灵；你感觉不到它的重量，而且你能一眼看穿它。”

用刀切气凝胶？这可不是什么好主意。这样会撕裂材料，弄得一团糟，还会破坏捕获的颗粒。因此，经过多年的反复试验，韦斯特法尔和他的团队想出了一个谨慎的提取程序。它需要一个微操作器（一种为显微镜制造的非常精确的机械装置）和一根玻璃针，针尖非常小，在电子显微镜下几乎看不到它的圆度。

“我们使用这种微操作器和一根针，就像缝纫机一样，”韦斯特法尔说。“我们将针插入气凝胶约 10 微米，然后移过去再打一个约 10 微米深的洞，依此类推。”在打出一排洞后，研究人员用针再打一次，使洞深 10 微米。他们一遍又一遍地重复这个过程，最终，这些洞连在一起形成一个大切口。然后，研究人员能够提取一个无限小的门挡形楔形气凝胶，其中包含粒子及其轨迹。

但是，一旦这些气凝胶块被切下来，还有更多的工作要做。韦斯特法尔的团队必须将样品切成薄片，以便用同步加速器观察灰尘颗粒——韦斯特法尔说，这种显微镜“大小如购物中心”。

如果你还没猜到的话，整个过程非常缓慢。自 2006 年星尘号返回以来，该团队一直在进行这项提取工作——但他们的分析工作还远未完成。“我们将花几十年时间进行这项工作，”韦斯特法尔说。“目前只有一小部分得到了分析。”