圖解空間望遠鏡發(fā)展史

文 / 葉楠

γ射線空間望遠鏡（上）

在地球上，我們能感受到最強的電磁輻射來自于太陽，地球的大氣層幫我們阻擋了來自宇宙中絕大部分γ射線、X射線等高能輻射，以及部分紅外和射電波。大氣只為我們打開了兩扇“窗口”：一個允許可見光及部分紅外線通過，我們眼睛能夠感光的范圍就在這個窗口之中；另一個位于射電波段，為無線電通訊、人造衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)痊F(xiàn)代科技提供了可以實現(xiàn)的必要條件。我們的生活甚至生存都極大地依賴這兩個“窗口”的存在，試想，如果大氣無法阻擋高能輻射，那么地球可能會像其他行星一樣，不會有生命存在。但是另一方面，高能天體物理是現(xiàn)代天文學研究的一個重要方向，而在地球表面我們是無法得到來自于這些天體的輻射信息的。因此，我們必須把望遠鏡放到天上去。

空間天文望遠鏡時代的開始

20世紀60年代，帕洛瑪天文臺口徑5米的海爾望遠鏡（左圖）是世界上最大、性能最好的光學望遠鏡；射電天文學領域的快速發(fā)展造就了當時射電天文學的四大發(fā)現(xiàn)：類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射；口徑達305米的阿雷西沃射電望遠鏡（右圖）還在建造之中……此時，天文學家的目光卻早已對準了天上，他們希望有一天，天文望遠鏡可以漂浮于太空之中，那里沒有地球重力造成的鏡片形變，沒有地球自轉(zhuǎn)引起的白天黑夜，沒有地球大氣擾動造成的成像扭曲。

空間望遠鏡概念的提出

1946年，年僅32歲的美國天文學家小萊曼·斯皮策在一份報告中提出了將天文望遠鏡置于太空之中的想法，并對其優(yōu)缺點進行了分析。這對空間天文望遠鏡的后續(xù)發(fā)展影響是巨大的，包括哈勃空間望遠鏡在內(nèi)的諸多空間望遠鏡都參考了斯皮策的觀點。后來，美國宇航局在2003年發(fā)射的斯皮策空間望遠鏡就是以他的名字命名的。1947年，斯皮策接替羅素成為普林斯頓大學天文臺臺長，之后接任普林斯頓大學天文系主任直至退休。

γ射線

1900年，法國化學家和物理學家保羅·維拉爾利用陰極射線照射含有鐳的氯化鋇，照片記錄上發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的輻射穿透了厚度為0.2毫米的鉛箔。這一穿透能力極強的輻射后被命名為γ射線，是繼α射線、β射線之后人類發(fā)現(xiàn)的第三種原子核射線。1913年，γ射線被證明是電磁波，波長小于0.02納米，是電磁波中波長最短、能量最高的，其穿透特性在醫(yī)學領域有著廣泛應用。在天文學領域，γ射線一般來自于恒星內(nèi)部的核合成，以及高能天體物理現(xiàn)象，比如超新星、類星體、黑洞并合事件等都會發(fā)射大量γ射線。γ射線不同于可見光，不能利用光學透鏡去進行匯聚成像，所以γ射線望遠鏡在外形上與光學望遠鏡截然不同，更多的是利用γ射線與其他物質(zhì)作用后引起的電離現(xiàn)象進行間接測量，一般稱之為閃爍探測器。上圖為模擬的γ射線暴現(xiàn)象。

范艾倫輻射帶

范艾倫輻射帶是在地球附近的近層空間中，由大量帶電粒子聚集而成的環(huán)狀輻射帶，由美國物理學家詹姆斯·范·艾倫發(fā)現(xiàn)并命名。其粒子來源一般認為是被地球磁場俘獲的太陽風粒子。由于和地球磁場有關，所以輻射帶在兩極地區(qū)更接近地表，也更容易觀測到極光。而在赤道地區(qū)輻射帶較高，一般情況下在500公里至10萬公里之間。當太陽活動劇烈時，其高度可能會被壓縮至海拔200公里高度。范艾倫輻射帶主要由兩個條帶組成，內(nèi)外層之間有明顯的縫隙。對于人造衛(wèi)星來說，范艾倫輻射帶的影響是巨大的，會干擾諸多儀器的正常運行，甚至會造成損壞。所以衛(wèi)星軌道高度的選擇，以及在太陽活動高峰期對儀器的保護都是要提前考慮到的。

探險者11號衛(wèi)星

美國的探險者11號衛(wèi)星（上圖）是世界上第一個配備了γ射線望遠鏡的衛(wèi)星，標志著γ射線天文學的開端。1961年4月27日，“探險者11號”由朱諾Ⅱ型火箭發(fā)射升空（下圖），軌道高度300公里×1100公里。它攜帶有夾層閃爍探測器和切倫科夫計數(shù)器，用來測量高能γ射線的能量和來源方向。但由于入軌高度高于計劃的軌道高度，“探險者11號”受到了范艾倫輻射帶的干擾，7個月間只有141個小時的有效觀測時段，直到11月17日，“探險者11號”才第一次，同時也是最后一次傳回數(shù)據(jù)，它一共探測到了22次γ射線事件。

質(zhì)子號衛(wèi)星

1965年7月16日，蘇聯(lián)的質(zhì)子1號衛(wèi)星成功升空，進入183公里×589公里的繞地軌道，在軌時間接近3個月。質(zhì)子1號衛(wèi)星由切洛梅設計局設計制造，目標是對空間高能粒子進行探測研究。此后至1968年的3年間，蘇聯(lián)又陸續(xù)發(fā)射了3顆質(zhì)子號衛(wèi)星，最后1顆為“質(zhì)子4號”，它的在軌時間長達250天。質(zhì)子號高能粒子探測任務于1969年全部結束，但“質(zhì)子號”的名字卻繼承了下來，未來的質(zhì)子號運載火箭，其知名度遠遠蓋過了質(zhì)子號衛(wèi)星。

小型天文衛(wèi)星2號

小型天文衛(wèi)星2號也被稱為SAS-2或者探險者48號，是美國宇航局的一臺γ射線望遠鏡，1972年11月15日從位于肯尼亞馬林迪海岸外的圣馬可發(fā)射平臺升空，進入443公里×632公里的近赤道軌道。SAS-2整體呈圓柱形，直徑為59厘米、高135厘米，有4個太陽能電池板。SAS-2主要目標是探測能量范圍在20MeV至300MeV之間的來自于銀河系及河外星系的γ射線輻射的空間和能量分布。探測儀器由一臺閃爍探測器、一臺火花室以及一臺帶電粒子探測望遠鏡組成。SAS-2正常運行到1973年6月8日，它最大的發(fā)現(xiàn)是杰敏卡γ射線源。

杰敏卡γ射線源

杰敏卡γ射線源的英文名為Geminga，由其所在星座雙子座Gemini和γ射線源gamma-raysource兩個詞組合而成。“杰敏卡”距離我們約815光年，在SAS-2發(fā)現(xiàn)它之后的20年里尚無法得知它到底是什么天體，直到1991年，ROSAT衛(wèi)星探測到了它在軟X射線波段具有0.237秒的輻射周期，證明它是一顆中子星，是大約30萬年前一顆大質(zhì)量恒星發(fā)生超新星爆發(fā)后核心坍縮而成。圖為“杰敏卡”相對于銀道坐標的位置。

COS-B衛(wèi)星

COS-B衛(wèi)星是歐洲航天研究組織的第一個宇宙γ射線源研究項目，于20世紀60年代中期提出，并于1969年得到批準。COS-B衛(wèi)星于1975年8月9日從范登堡空軍基地由德爾塔2913火箭發(fā)射升空。該衛(wèi)星共在軌運行了6年多，超出計劃4年，使天體的γ射線數(shù)據(jù)量增加了25倍。COS-B衛(wèi)星的探測能量范圍在70MeV至5GeV之間，其科學成果被總結為2CG星表，其中包括25個γ射線源。根據(jù)其成果還繪制了銀河系的γ射線輻射圖。

HEAO-3天文臺

HEAO-3天文臺是美國宇航局高能天文觀測臺3個探測器中的最后1個，前兩個都是以X射線為主要觀測波 段?！癏EAO-3” 于 1979年 9月20日從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，軌道高度486公里×505公里，傾角43.6°，公轉(zhuǎn)周期為94.5分鐘。“HEAO-3”的主要工作模式是巡天觀測，約20分鐘自轉(zhuǎn)一周，自轉(zhuǎn)軸指向太陽?！癏EAO-3”攜帶的探測器名為“C-1”，可以在硬X射線和低能γ射線波段工作，目標是尋找來自于恒星、星系及星際介質(zhì)中正電子湮沒產(chǎn)生的能量為511keV的γ射線輻射，星際介質(zhì)中宇宙線相互作用產(chǎn)生的γ射線輻射等?！癏EAO-3”運行至1981年12月7日。