哈勃望远镜的先辈们,玩起了⻜屋环游记。不是逗你啦~真的有这样⼀种望远镜,它们或是通过⻜机搭载,或是通过零压(或者超压)⽓球来牵引升空,⻜⾏于地球的⼤⽓层中。其中通过⽓球作为载体升空到临近空间(距地⾯20~100公⾥)⻜⾏的望远镜被称为临近空间球载望远镜。上个世纪中叶,普林斯顿⼤学已经开始利⽤⽓球搭载望远镜去观测宇宙。如今,球载望远镜已经应⽤于太阳物理、恒星物理以及⾼能物理等。
限于篇幅,本⽂将介绍⼏种具有代表性的球载望远镜。
世界上第⼀台球载天⽂望远镜Stratoscope I是第⼀台⽤于天⽂研究的球载望远镜,由普林斯顿⼤学⻢丁·史瓦⻄教授指导和美国海军研究办公室赞助,并由珀⾦埃尔默公司设计和制造的望远镜。该项⽬的⽬标是获得具有前所未有的分辨率和细节的太阳⽶粒组织图像。
望远镜镜筒有⼋英尺⻓,在镜筒的另⼀端是⼀个平⾯镜和⼀个棱镜,它们将抛物⾯镜收集的光反射到⼀个35毫⽶的电影摄影机。35毫⽶胶⽚的每⼀帧视场都是太阳表⾯约50,000×35,000英⾥的矩形区域。摄影机曝光以每秒⼀次的频率进⾏,每次持续1毫秒。
在⻜⾏中,仪器的顶部连接着⼀个降落伞,⽽降落伞的顶部⼜连接到⽓球的底部。相机中的胶卷⽤完后,预设计时器会将望远镜垂直收起在框架内,并将降落伞从⽓球上切下。
框架除了⽤作⽀架外,还可以在望远镜接触地⾯时保护望远镜:底部的防撞垫可减缓着陆时的冲击⼒,⽽顶部的⻜轮则在框架侧翻时保护望远镜。由于Stratoscope I从地⾯升起到平流层的过程中,温差变化巨⼤,为了最⼤限度地减少变形,望远镜的镜筒上有数千个⼩孔,可以消散集中在镜筒内的热量。
1957年8⽉22⽇清晨六时⼆⼗分,Stratoscope I进⾏了第⼀次⻜⾏,此次⻜⾏没有架上真正的望远镜,⽽是⼀个携带测试相机的虚拟望远镜,⽤于评估系统的指向精度。此次任务相当成功,球载望远镜的导向机构⾜够稳定,并且可以拍摄到太阳⽶粒组织。同年9⽉和10⽉⼜完成了两次⻜⾏。
由于Stratoscope Ⅰ的成功,普林斯顿⼤学将此球载望远镜进⾏了升级,并命名为Stratoscope Ⅱ。
1963年3⽉1⽇傍晚,这架被视为哈勃太空望远镜的前身的StratoscopeII腾空⽽起,随⻛⽽去。Stratoscope Ⅱ可以说是有史以来最复杂的⽓球载望远镜系统之⼀。它的⽬标是拍摄⾏星和恒星星云。该项⽬同样由普林斯顿⼤学指导,由美国国家科学基⾦会、海军研究办公室赞助,并得到美国国家航空航天局的支持。
进⼊⼆⼗⼀世纪,球载望远镜不断升级,承担的任务也越来越多。
例如,BLAST宇宙中天体发出的亚毫⽶波信号在穿过⼤⽓层时,会在很多频率上发⽣严重衰减。因此,2003-2006年期间,来⾃宾夕法尼亚⼤学的研究团队设计研制了BLAST球载⼤⼝径亚毫⽶波望远镜,将其升⾄⼤⽓稀薄的⾼空进⾏天⽂观测。BLAST球载望远镜项⽬分为第⼀代BLAST-Pol和第⼆代BLAST-TNG两个不同型号,近年来开展了多次⻜⾏试验。
其中第⼆代⽓球BLAST-TNG⾃重约1800kg,有⼀个铝制框架作为⽓球吊舱,⽀撑着⼝径达到2.5m的主镜和其他观测设备。⽓球在地⾯上充⽓后,升⾄海拔38km左右的⾼度进⾏稳定观测,在这⼀⾼度的⼤⽓压⼒很低,⽓球体积在此处相较于在地⾯上膨胀了200倍左右。设备升级后,它的测绘速度⾄少是前⼀代BLAST-Pol的10倍,分辨率⼤约是其6倍。
这⼀项⽬的⽬标是观测银河系中的恒星形成区,得到磁场分布,从⽽研究星际介质密度分布,了解磁场对恒星诞⽣的影响。
平流层太赫兹天⽂台(STO)是⼀台由⾼空⽓球搭载的红外望远镜,它是由亚利桑那⼤学领导的⼀项国际合作项⽬。STO任务是⼀个⻓时间⽓球实验,第⼀代STO于2012年在南极洲上空40公⾥处悬浮⻜⾏了14天;2016年第⼆代⽓球STO-2在南极上空⻜⾏观测了三周。该任务旨在解决现代天体物理学中的⼀个关键问题:理解星际介质(ISM)的演化周期。
早在1977年7⽉,中国科学院⾼能物理所宇宙线室的⾼能天体物理组就提出了发展我国⾼空科学观测⽓球的建议,并在随后的时间⾥对⽓球球膜、70~500⽶⽓球进⾏了试制。上海天⽂台于1982年9⽉在⾹河⽓球发射站进⾏⾼空科学⽓球天⽂观测试验,测得了太阳在4.6μm和18μm波⻓的红外辐射。
1984⾄1987年间,在中国科学院⾼能物理所和中国科学院⼤⽓物理所的协同配合下进⾏了五次⻜⾏试验来收集⾼空宇宙尘,科学家成功收集到了来⾃⾼空的宇宙尘并对样品进⾏了电⼦探针分析。这些科学试验也对我国未来球载望远镜观测起到了深远的影响。
如今,⻜机与⽕箭已将我们的观测设备运送⾄前所未及的⾼度,⽽⼈们依然没有放弃利⽤球载望远镜去眺望来⾃宇宙深处的辉光。在未来,也许它的身影会逐渐淡去,但作为承载着⼈类⻜上蓝天,探索世界梦想的使者,球载望远镜是⼈类在天⽂科学观测史上迈出的辉煌⼀步,也是这个蓝⾊星球上的⽂明⽤⾃⼰微薄⼒量,努⼒朝着周围星际空间探出的惊鸿⼀瞥。