圖解空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)展史

文/ 葉楠

宇宙線空間探測器/引力波空間探測器

宇宙線的發(fā)現(xiàn)

1912 年8 月7 日，美籍奧地利裔物理學(xué)家維克多·赫斯（圖正中）乘坐一臺(tái)熱氣球，帶著3 臺(tái)靜電計(jì)飛到了5300 米高空。在熱氣球不斷上升的過程中，他發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，靜電計(jì)的讀數(shù)也在不斷上升，這與之前普遍認(rèn)為的地球是主要的輻射源，地表輻射應(yīng)該多于高空的觀點(diǎn)正好相反。1913～1914 年，科爾霍斯證實(shí)了赫斯的發(fā)現(xiàn)。這種隨著海拔升高而增加的射線被稱為“宇宙射線”，簡稱“宇宙線”。赫斯也因此獲得了1936 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是宇宙線的名字其實(shí)并不恰當(dāng)，因?yàn)橛钪婢€并不是一種電磁輻射，而是來自于宇宙之中的高能粒子。

初級(jí)和次級(jí)宇宙線

宇宙線是來自于外太空的高能亞原子粒子，這些粒子稱為初級(jí)宇宙線。初級(jí)宇宙線中約90%是質(zhì)子、約9%是氦原子核、約1%是電子。當(dāng)初級(jí)宇宙線進(jìn)入地球大氣層，與大氣中的原子核發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，被稱為次級(jí)宇宙線。次級(jí)宇宙線主要包括μ 介子、質(zhì)子、反質(zhì)子、阿爾法粒子、電子、正電子、中子等。地面探測只能接收到次級(jí)宇宙線，圖為位于我國四川省稻城縣的高海拔宇宙線觀測站，配備有電磁粒子探測器陣列、μ介子探測器陣列、水切倫科夫探測器陣列和廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列等探測設(shè)備。若想對初級(jí)宇宙線進(jìn)行探測，還需要將探測器置于太空之中。

早期對于宇宙線的探測和電磁輻射中的γ 射線探測是同步開始的，直到20 世紀(jì)90 年代，才有了對宇宙線的專項(xiàng)探測研究。

太陽異常性/磁層粒子探索者

太陽異常性/磁層粒子探索者（SAMPEX）是美國宇航局小型探測器項(xiàng)目中的第一個(gè)航天器，衛(wèi)星長1.5 米、寬0.9 米，總質(zhì)量只有157 千克。1992 年7 月3 日，SAMPEX 從范登堡空軍基地由偵察兵G-1 運(yùn)載火箭送入512 千米×687 千米、周期96.7 分鐘、傾角81.7 度的軌道。SAMPEX 共攜帶有4 套科學(xué)儀器，用于探測來自太陽的高能粒子以及被認(rèn)為是在太陽終端激波中加速的“異?！庇钪婢€。SAMPEX 執(zhí)行科學(xué)任務(wù)運(yùn)行至1997 年，之后主要用于教育及科普領(lǐng)域至2012 年11 月。

阿爾法磁譜儀01

阿爾法磁譜儀01（AMS-01）最早由物理學(xué)家丁肇中提出。AMS-01 只是一個(gè)簡化版本用于前期的先導(dǎo)試驗(yàn)，后續(xù)還有AMS-02。左圖是1997 年4 月運(yùn)抵肯尼迪航天中心正在安裝的AMS-01。AMS-01 的主體是由6000 個(gè)汝鐵硼磁鐵組成的圓柱形永磁體，它是第一個(gè)運(yùn)行在太空中的大型磁譜儀。1998 年6 月2 日至12 日，發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)執(zhí)行STS-91 任務(wù)，這也是航天飛機(jī)最后一次飛向和平號(hào)空間站。右圖是從和平號(hào)空間站拍攝的發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)，AMS-01 被放置于靠近尾部防火墻位置。在為期10 天的任務(wù)中，AMS-01 收集到近8000 萬次高能粒子觸發(fā)事件，證明空間粒子探測器的想法是可行的。

PAMELA 實(shí)驗(yàn)

PAMELA實(shí)驗(yàn)的全稱是反物質(zhì)探測和輕核天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，是附加在俄羅斯資源DK1 號(hào)衛(wèi)星上的宇宙線探測模塊（左圖）。資源DK1 號(hào)衛(wèi)星于2006 年6 月15 日由聯(lián)盟號(hào)火箭從拜科努爾發(fā)射場送入太空，軌道高度350 千米×610 千米、傾角70 度。PAMELA 實(shí)驗(yàn)?zāi)K高1.3 米、重470 千克，由俄羅斯、意大利、德國和瑞典合作開發(fā)。右圖是正在組裝中的資源DK1 號(hào)衛(wèi)星與PAMELA實(shí)驗(yàn)?zāi)K。直至2016年2月資源DK1號(hào)衛(wèi)星停止工作，整個(gè)任務(wù)持續(xù)了近10 年時(shí)間。

星際邊界探測者

星際邊界探測者（IBEX）（左圖）是美國宇航局小型探測器項(xiàng)目的一顆衛(wèi)星，于2008年10月19日由飛馬座XL火箭發(fā)射升空。2011 年6 月經(jīng)過一次軌道轉(zhuǎn)移后穩(wěn)定在8.6 萬千米×26 萬千米的橢圓軌道上，在這個(gè)高度，可以遠(yuǎn)離地球磁層的干擾。IBEX 的主要科學(xué)任務(wù)是研究太陽風(fēng)與太陽系邊緣星際介質(zhì)的相互作用。右圖是基于IBEX 數(shù)據(jù)得到的日球?qū)訄D像，可以看出明顯的高能中性原子（ENAs）帶。同時(shí)，它還測量得到太陽系相對星際介質(zhì)的速度為每秒23.2 千米，低于之前尤利西斯號(hào)太陽探測器的數(shù)據(jù)。

暗物質(zhì)粒子探測器

暗物質(zhì)粒子探測器（DAMPE）也稱為“悟空號(hào)”，是中科院于2015 年12 月17 日發(fā)射的一顆衛(wèi)星，由長征二號(hào)丁火箭從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空?！拔蚩仗?hào)”的主要工作是探測由暗物質(zhì)粒子碰撞后產(chǎn)生的γ 射線、正負(fù)電子、宇宙線粒子等。配備的科學(xué)儀器有閃爍陣列探測器、硅陣列探測器、電磁量能器及中子探測器等，是迄今為止觀測能量范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子空間探測器。

2017 年11 月30 日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表，“悟空號(hào)”有充分?jǐn)?shù)據(jù)證實(shí)，在太空中測量到了電子宇宙射線的一處異常波動(dòng)，這一波動(dòng)此前從未被觀測到，意味著中國科學(xué)家取得一項(xiàng)開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，且有可能與暗物質(zhì)相關(guān)。

阿爾法磁譜儀02

阿爾法磁譜儀02（AMS-02）被稱為“迄今為止送入太空的最復(fù)雜的粒子探測器”，整個(gè)任務(wù)涉及16 個(gè)國家56 個(gè)機(jī)構(gòu)的500 多名科學(xué)家。AMS-02 重達(dá)7.5 噸，功率達(dá)2500 瓦，它被安置在國際空間站上（上圖），由空間站為其提供所需的電力。2011 年5 月16 日，奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)將AMS-02 送上太空，這也是“奮進(jìn)號(hào)”的最后一次飛行。2019年底至2020 年初，航天員進(jìn)行了四次太空行走，對AMS-02 進(jìn)行了升級(jí)維護(hù)。下圖是2019 年12 月2 日航天員盧卡·帕米塔諾為AMS-02 更換新的熱力泵系統(tǒng)。迄今為止，AMS-02 還在空間站上正常運(yùn)行著，為研究反物質(zhì)、暗物質(zhì)、奇異物質(zhì)與空間輻射環(huán)境提供重要的觀測數(shù)據(jù)。

引力波

引力波是加速的質(zhì)量在時(shí)空中產(chǎn)生的漣漪。重力是時(shí)空曲率的表現(xiàn)形式，質(zhì)量的變化可以導(dǎo)致時(shí)空曲率的變化，這種變化以波的形式向外傳播，速度等于光速，這種現(xiàn)象被稱為引力波。由于引力波基本不與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用，對它的探測持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)，直到2015年激光干涉引力波觀測臺(tái)發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)GW150914：這是一次雙黑洞并合事件，2 個(gè)質(zhì)量分別是36 倍和29倍太陽質(zhì)量的黑洞，并合為一個(gè)質(zhì)量為62 倍太陽質(zhì)量的黑洞，而減少的3 倍太陽質(zhì)量（能量）以引力波的形式釋放出去。至此，人類才首次證實(shí)了引力波的存在，這一發(fā)現(xiàn)也讓3 位美國物理學(xué)家獲得了2017 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。圖為黑洞并合藝術(shù)想象圖。

激光干涉引力波天文臺(tái)

激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）是2 臺(tái)分別位于華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的天文臺(tái)。與一般的望遠(yuǎn)鏡完全不一樣，LIGO 使用的是激光干涉的方法探測引力波，而引力波的強(qiáng)度相當(dāng)于1 千米長的鐵軌上產(chǎn)生10-19米的變化。每個(gè)天文臺(tái)最大的特征是垂直方向上兩條各長4 千米的干涉臂。利用類似邁克爾遜干涉儀的原理，如果某個(gè)方向上發(fā)生引力波事件，則會(huì)引起這個(gè)方向上的時(shí)空擾動(dòng)，激光干涉條紋也會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的變化。干涉臂的長度越長，這種干涉現(xiàn)象就會(huì)越明顯。但是受限于地球本身大小的限制，以及地質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使得干涉臂本身的空間尺度不穩(wěn)定。所以，為什么不將引力波天文臺(tái)置于太空之中呢？

激光干涉引力波觀測臺(tái)

激光干涉引力波觀測臺(tái)（LISA）是歐空局和美國宇航局合作的引力波探測項(xiàng)目，計(jì)劃于2034 年投入運(yùn)行。左圖為LISA 構(gòu)想圖，它由3 個(gè)相同的航天器構(gòu)成一個(gè)邊長250 萬千米的等邊三角形，這個(gè)基線長度是LIGO 的62.5 萬倍，將大大提高觀測靈敏度。為了實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，2015 年12 月3 日，歐空局發(fā)射了一顆名為“LISA 探路者號(hào)”的探測器（右圖），為LISA 任務(wù)所需的技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)性研究。在“LISA 探路者號(hào)”上，通過光學(xué)干涉技術(shù)精確測量了兩個(gè)相距38 厘米（模擬LISA 一條基線）的兩個(gè)物體的相對運(yùn)動(dòng)，整個(gè)任務(wù)持續(xù)了16 個(gè)月時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果表明空間激光干涉技術(shù)是可行的。（全文完）