圖解空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)展史

文/ 葉楠

紫外空間望遠(yuǎn)鏡（上）

紫外天文學(xué)

1801年，德國(guó)物理學(xué)家約翰·里特發(fā)現(xiàn)將浸過(guò)氯化銀的紙張暴露在可見(jiàn)光光譜的紫色端之外，能夠比暴露在紫色光下更快地變暗。里特將其稱為“氧化射線”，以強(qiáng)調(diào)這種化學(xué)作用，并與可見(jiàn)光光譜另一端的“加熱射線”區(qū)分開(kāi)來(lái)。隨著對(duì)光譜認(rèn)識(shí)的深入，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)最終被紫外線和紅外線取代。紫外線的波長(zhǎng)范圍在10 ～400 納米之間，是一種人類看不見(jiàn)的光線。

我們能觀測(cè)到的大多數(shù)恒星是相對(duì)比較冷的天體，它們發(fā)出的電磁輻射主要集中在可見(jiàn)光和紅外波段。天體在紫外波段的照片與我們熟悉的在可見(jiàn)光下的樣子大不相同，左圖是太陽(yáng)在可見(jiàn)光下的圖像；右圖是太陽(yáng)在30 納米波段的紫外圖像，可清晰辨別耀斑和日冕物質(zhì)拋射。

紫外線主要用來(lái)探測(cè)處于演化早期階段的恒星，辨別星際介質(zhì)的化學(xué)成分，尋找星系演化的相關(guān)信息，搜尋熱白矮星等等。由于大氣阻擋了大部分紫外線，所以紫外望遠(yuǎn)鏡也需要置于太空之中。

軌道天文臺(tái)計(jì)劃

在空間天文臺(tái)時(shí)代之前，基本都是依靠小型火箭飛出大氣層之外來(lái)獲取天體在可見(jiàn)光以外波段的觀測(cè)信息。但是火箭一次飛行大約只能收集約5 分鐘的數(shù)據(jù)。截至1968年，一共飛行40 多次的深空火箭只收集了約3 個(gè)小時(shí)的天體紫外測(cè)量數(shù)據(jù)。如果有一臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡呢？一天就可以完成比火箭多得多的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1958年6月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院成立了空間科學(xué)委員會(huì)，由勞埃德·貝克納（左圖）擔(dān)任主席。當(dāng)年年底，委員會(huì)成員物理學(xué)家?guī)扃昀锇玻ㄓ覉D）提出了“軌道天文臺(tái)（OAO）計(jì)劃”提案。1959年，庫(kù)珀里安被調(diào)到了戈達(dá)德太空飛行中心，擔(dān)任天體物理部門(mén)的負(fù)責(zé)人，成為OAO 計(jì)劃的項(xiàng)目科學(xué)家。1966年至1972年期間，共有4 顆OAO 衛(wèi)星升空。

軌道天文臺(tái)1號(hào)

1966年4月8日，軌道天文臺(tái)1號(hào)（OAO-1）由阿特拉斯-半人馬火箭送入高度近800公里的圓形軌道。但OAO-1 在與火箭分離僅僅7 分鐘后，電源就出現(xiàn)了故障，無(wú)法為任何設(shè)備提供能源。3 天后，OAO-1 任務(wù)宣告失敗。它是人類歷史上第一臺(tái)送入太空的望遠(yuǎn)鏡，但卻遺憾地沒(méi)有完成任何觀測(cè)。圖為1965年，在紐約貝斯佩奇的格魯曼飛行器工程公司，OAO-1 在一個(gè)無(wú)塵塑料帳篷里進(jìn)行測(cè)試。

軌道天文臺(tái)2號(hào)

1968年12月7日，軌道天文臺(tái)2號(hào)（OAO-2）在卡納維拉爾角空軍基地36B 發(fā)射平臺(tái)搭乘阿特拉斯-半人馬火箭順利進(jìn)入太空。OAO-2 發(fā)射質(zhì)量為2012 千克，是當(dāng)時(shí)最大、最重、最復(fù)雜的不載人探測(cè)器，它攜帶的觀測(cè)設(shè)備可對(duì)波長(zhǎng)100 ～400 納米的紫外波段進(jìn)行觀測(cè)。OAO-2 運(yùn)行了4年時(shí)間，直到1973年2月，其間拍攝了約8500 張照片，覆蓋了10%的天區(qū)面積，并公布了包括5068 顆天體的紫外星表。圖為發(fā)射前OAO-2 在肯尼迪航天中心無(wú)塵室里進(jìn)行測(cè)試。

哥白尼天文衛(wèi)星

1970年11月30日，OAO 計(jì)劃的第三顆衛(wèi)星OAO-B發(fā)射升空，它攜帶了一臺(tái)口徑為97 厘米的紫外望遠(yuǎn)鏡，但是由于整流罩分離故障，火箭沒(méi)有達(dá)到軌道高度，導(dǎo)致墜毀。

1972年8月21日，OAO 計(jì)劃的最后一顆衛(wèi)星OAO-3成功升空，這顆衛(wèi)星是OAO 衛(wèi)星中最成功的一個(gè)，它一直工作到1981年2月，拍攝了數(shù)百顆恒星的高分辨率光譜和對(duì)X 射線的觀測(cè)；還發(fā)現(xiàn)了幾顆周期長(zhǎng)達(dá)幾分鐘的脈沖星，為當(dāng)時(shí)的脈沖星理論帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

OAO-3 升空后的第二年——1973年，是哥白尼誕辰500 周年，OAO-3 后來(lái)也因此被命名為哥白尼天文衛(wèi)星。左圖是“哥白尼”近10年間觀測(cè)到的目標(biāo)。右圖是2011年天文愛(ài)好者拍攝到的“哥白尼”過(guò)境照片。

獵戶座1號(hào)

隨著1969年7月美國(guó)阿波羅11號(hào)載人登月成功，蘇聯(lián)開(kāi)始將載人航天的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到空間站上。1971年4月19日，人類歷史上第一個(gè)空間站“禮炮1號(hào)”由質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭送入高度為200×222 公里的近地軌道?！岸Y炮1號(hào)”質(zhì)量超過(guò)18 噸，長(zhǎng)約16 米，最大直徑約4 米，艙體容積超過(guò)90 立方米。

“禮炮1號(hào)”的中間位置搭載了一臺(tái)名為“獵戶座1號(hào)”的紫外望遠(yuǎn)鏡，口徑280 毫米，配合光柵光譜儀可以獲得200 ～380 納米范圍紫外光譜。1971年6月6日，3 名航天員搭乘聯(lián)盟11號(hào)飛船成功與“禮炮1號(hào)”對(duì)接，航天員維克多·帕特薩耶夫用“獵戶座1號(hào)”拍攝了織女星和馬腹一的光譜。3 名航天員在空間站停留了23 天，然而不幸的是，在“聯(lián)盟11號(hào)”返回地球過(guò)程中，由于一個(gè)壓力平衡閥過(guò)早打開(kāi)，3 名航天員窒息而死。1971年10月11日，“禮炮1號(hào)”墜入大氣層燒毀。

獵戶座2號(hào)

1973年12月18日，2 名航天員搭乘聯(lián)盟13號(hào)飛船進(jìn)入太空，飛船上還搭載了一臺(tái)名為“獵戶座2號(hào)”的紫外空間望遠(yuǎn)鏡（左圖），口徑240毫米，焦距1010毫米。“聯(lián)盟13號(hào)”在太空中運(yùn)行了近8天，“獵戶座2號(hào)”拍攝了數(shù)千顆暗至13 等恒星的光譜，右圖是其拍攝的行星狀星云IC 2149 的紫外光譜，發(fā)現(xiàn)了鋁和鈦的發(fā)射線，這些元素在此之前從未在行星狀星云中發(fā)現(xiàn)過(guò)。12月26日，“聯(lián)盟13號(hào)”在著陸過(guò)程中遭遇暴風(fēng)雪，但并未對(duì)航天員的人身安全造成影響。

遠(yuǎn)紫外相機(jī)/攝譜儀

遠(yuǎn)紫外相機(jī)/攝譜儀（UVC）是1972年4月由“阿波羅16號(hào)”帶到月球上的一臺(tái)紫外觀測(cè)設(shè)備。UVC 就像一臺(tái)小型家用望遠(yuǎn)鏡（左圖是UVC的同比例模型），它的口徑只有75 毫米，焦距也是75 毫米，可以拍攝視場(chǎng)為20 度的照片，質(zhì)量只有22 千克。它的工作波段在遠(yuǎn)紫外，光譜觀測(cè)波長(zhǎng)范圍為30 ～135 納米，成像觀測(cè)波長(zhǎng)范圍為105 ～155 納米。右圖中在航天員約翰·楊身后可以看到被放置于登月艙影子下的UVC。

荷蘭天文衛(wèi)星

荷蘭天文衛(wèi)星（ANS）是由荷蘭和美國(guó)合作的一顆紫外及X 射線空間望遠(yuǎn)鏡，也是荷蘭的第一顆人造衛(wèi)星。ANS 于1974年8月30日從美國(guó)范登堡空軍基地發(fā)射升空，由于一級(jí)火箭故障，衛(wèi)星未能進(jìn)入預(yù)期的500 公里圓軌道，取而代之的是近地點(diǎn)266 公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)1176 公里、傾角98 度、周期99.2 分鐘的太陽(yáng)同步軌道。ANS 搭載了一套紫外觀測(cè)設(shè)備和一套硬X 射線觀測(cè)設(shè)備，其中紫外望遠(yuǎn)鏡為一臺(tái)口徑22 厘米的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡，工作波長(zhǎng)155 ～330 納米；X 射線觀測(cè)設(shè)備工作能量范圍為1.5 ～30keV。至1976年6月，ANS 正常工作了20 個(gè)月時(shí)間，對(duì)約400 個(gè)天體進(jìn)行了18000 次觀測(cè)。圖為ANS 的備用衛(wèi)星，沒(méi)有發(fā)射，后被捐給了博物館。

國(guó)際紫外探測(cè)器

國(guó)際紫外探測(cè)器（IUE）（左圖）是美國(guó)、英國(guó)與歐空局合作的一臺(tái)主要用于紫外光譜觀測(cè)的空間望遠(yuǎn)鏡。1978年1月26日，IUE 從卡納維拉爾角發(fā)射升空。這是一顆地球同步軌道衛(wèi)星，軌道高度26000 公里×42000公里、傾角28.6 度、周期23 小時(shí)56分。IUE 的主鏡口徑為45 厘米，采用RC 式光路結(jié)構(gòu)。配備的兩臺(tái)紫外光譜儀分別工作在115 ～200 納米和185 ～330 納米波段。IUE 設(shè)計(jì)壽命只有3年，但直到1996年它還可以正常運(yùn)行，不過(guò)由于當(dāng)時(shí)的預(yù)算削減，不得不放棄了這顆功勛卓著的衛(wèi)星。18年間IUE 共觀測(cè)了約9300 個(gè)天體。右圖是IUE 所有觀測(cè)目標(biāo)的銀道坐標(biāo)分布圖。