40千米高空，科學(xué)家要放個(gè)氣球當(dāng)天文臺(tái)

天聞?lì)l道

近日，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)公布了一個(gè)新的項(xiàng)目，計(jì)劃利用氣球?qū)⒁粋€(gè)2.5米高的望遠(yuǎn)鏡送入平流層，構(gòu)建一個(gè)空中天文臺(tái)。任務(wù)小組最近完成了該天文臺(tái)有效載荷的設(shè)計(jì)，包括望遠(yuǎn)鏡、科學(xué)儀器以及冷卻和電子系統(tǒng)等。項(xiàng)目工程師將開(kāi)始對(duì)這些子系統(tǒng)進(jìn)行集成和測(cè)試，以驗(yàn)證它們的性能是否符合預(yù)期。如果一切順利，這個(gè)空中天文臺(tái)將在2023年底于南極升空。

氣球相較于其他觀測(cè)手段有何優(yōu)勢(shì)?未來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種古老的飛行器是否還會(huì)繼續(xù)存在于觀測(cè)任務(wù)中?帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了華中科技大學(xué)物理學(xué)院副院長(zhǎng)吳慶文教授。

保護(hù)地球的大氣也是個(gè)障礙

地球表面有一層厚厚的大氣，大氣層有效保護(hù)地球表面免受宇宙線、紫外線、太陽(yáng)風(fēng)粒子等各種輻射的致命轟擊，大氣是孕育地球生命的必要條件。

“然而，對(duì)于天文觀測(cè)來(lái)說(shuō)，地球大氣卻是一個(gè)障礙。”吳慶文說(shuō)。首先，由于地球大氣對(duì)電磁波的吸收、反射和散射等效應(yīng)，導(dǎo)致宇宙中很多電磁信號(hào)不能直接到達(dá)地球。少數(shù)波段的電磁波能夠穿透地球大氣，這些波段我們稱之為“大氣窗口”。目前地球上大氣窗口主要大氣包括光學(xué)波段、近紅外波段和射電波段，然而對(duì)于遠(yuǎn)紅外、毫米波、紫外線、X射線和伽馬射線等幾乎是不透明的。

吳慶文表示，每一扇窗口，都能帶給我們豐富的宇宙信息，所以為了更加深入地了解宇宙，我們必須越過(guò)地球大氣這個(gè)障礙。另外，地球大氣的湍流也會(huì)讓天體的像出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像失真。為了從根本上克服地球大氣層對(duì)天文觀測(cè)的影響，把望遠(yuǎn)鏡放到大氣層之外是非常有必要的。

空間探測(cè)主要運(yùn)載工具包括高空氣球、飛機(jī)和火箭等，其中氣球是一種古老的飛行器，已經(jīng)有200多年的歷史。宇宙射線的發(fā)現(xiàn)就是1912年奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯乘坐氣球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。第二次世界大戰(zhàn)以后，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、性能先進(jìn)的材料讓探空氣球?qū)崿F(xiàn)了大型化，并可以進(jìn)入高空平流層，極大地促進(jìn)了大氣科學(xué)、空間天文和宇宙射線等觀測(cè)研究。

“高空氣球還可以進(jìn)行空間載荷試驗(yàn)、遙感實(shí)驗(yàn)、生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)等。”吳慶文說(shuō)，考慮到空間實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器的成熟度要求比較高，因?yàn)槿魏螁?wèn)題都可能帶來(lái)不可估量的損失，而高空氣球探測(cè)則具有成本低、見(jiàn)效快、可重復(fù)等特點(diǎn)，所以氣球依舊是很多空間和大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理想搭載平臺(tái)。正因如此，很多科學(xué)衛(wèi)星搭載的探測(cè)儀器都會(huì)先在高空氣球上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。比如我國(guó)2015年發(fā)射的“悟空”暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星和2017年發(fā)射的“慧眼”X射線衛(wèi)星中相關(guān)儀器都在一些氣球飛行實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了前期驗(yàn)證和測(cè)試，技術(shù)成熟之后才批復(fù)立項(xiàng)。

在過(guò)去幾十年中，空間天文學(xué)取得了迅猛發(fā)展，在大部分波段都有了空間望遠(yuǎn)鏡。比如光學(xué)波段的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、X射線波段的錢德拉衛(wèi)星和牛頓衛(wèi)星、伽馬射線波段的費(fèi)米衛(wèi)星等。這些空間觀測(cè)項(xiàng)目極大地拓展了人類的視野以及對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

在紅外波段觀測(cè)恒星

NASA計(jì)劃用氣球?qū)⒁粋€(gè)名為ASTHROS的望遠(yuǎn)鏡，在2023年左右送入平流層進(jìn)行數(shù)周的觀測(cè)，其主要觀測(cè)波段為亞毫米波到遠(yuǎn)紅外波段。ASTHROS將是有史以來(lái)乘坐高空氣球的最大望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡需要上升到40千米的高度，這個(gè)高度雖然遠(yuǎn)低于一般衛(wèi)星高度，但是已經(jīng)可以避免遠(yuǎn)紅外和亞毫米波段的大氣吸收問(wèn)題了。

吳慶文說(shuō)，紅外望遠(yuǎn)鏡探測(cè)儀需要保持非常低的溫度，一般望遠(yuǎn)鏡都會(huì)用液氦來(lái)冷卻探測(cè)器。ASTHROS采用了新的方式，它使用太陽(yáng)能提供的電力來(lái)保持超導(dǎo)探測(cè)器接近零下268.5攝氏度(接近絕對(duì)0度)，這個(gè)低溫冷卻器的重量比傳統(tǒng)的液氦冷卻儀器輕得多，因此大大減輕了有效載荷的重量，可以在平流層工作數(shù)周。

“紅外波段的光可以穿透塵埃的遮蔽，從而可以看到一些光學(xué)波段看不到的低溫天體，因此紅外波段一個(gè)重要的觀測(cè)目標(biāo)就是恒星以及恒星形成區(qū)，比如科學(xué)家經(jīng)常利用紅外波段來(lái)觀測(cè)塵埃密布的銀河系中心區(qū)域。”吳慶文說(shuō)。

因此，ASTHROS的主要科學(xué)任務(wù)也集中在恒星物理上，其攜帶的儀器可以用來(lái)測(cè)量新形成恒星周圍氣體的運(yùn)動(dòng)和速度。通過(guò)氣體密度、速度和運(yùn)動(dòng)的三維信息揭示大質(zhì)量恒星和超新星爆炸產(chǎn)生的星風(fēng)物理，從而了解恒星的反饋過(guò)程，即恒星死亡時(shí)的猛烈爆發(fā)驅(qū)散了周圍的星際介質(zhì)，這可以阻止恒星的進(jìn)一步形成。ASTHROS還將觀測(cè)長(zhǎng)蛇座TW周圍的塵埃和氣體質(zhì)量和分布，這或許可以幫助我們認(rèn)識(shí)恒星周圍行星的形成過(guò)程，如幫助理解太陽(yáng)系八大行星的形成機(jī)制等。因此，ASTHROS將可以給人類帶來(lái)豐富的恒星物理信息。

吳慶文說(shuō)，實(shí)驗(yàn)如果成功，科學(xué)家將繼續(xù)發(fā)射衛(wèi)星或采用更大的探測(cè)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 氣球 天文臺(tái)