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啥？望遠(yuǎn)鏡還能坐氣球上天？是《飛屋環(huán)游記》更新了嗎？你怕不是在逗我？

不是逗你啦～真的有這樣一種望遠(yuǎn)鏡，它們或是通過(guò)飛機(jī)搭載，或是通過(guò)零壓（或者超壓）氣球來(lái)牽引升空，飛行于地球的大氣層中。

其中通過(guò)氣球作為載體升空到臨近空間（距地面 20～100 公里）飛行的望遠(yuǎn)鏡被稱為臨近空間球載望遠(yuǎn)鏡。

上個(gè)世紀(jì)中葉，普林斯頓大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始利用氣球搭載望遠(yuǎn)鏡去觀測(cè)宇宙。如今，球載望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)應(yīng)用于太陽(yáng)物理（如 Stratoscope I / Ⅱ和 SUNRISE Ⅰ / Ⅱ / Ⅲ）、恒星物理（如 BLAST）以及高能物理（如 STO）等。限于篇幅，本文將介紹幾種具有代表性的球載望遠(yuǎn)鏡。

世界上第一臺(tái)球載天文望遠(yuǎn)鏡

Stratoscope I 是第一臺(tái)用于天文研究的球載望遠(yuǎn)鏡，由普林斯頓大學(xué)馬丁 · 史瓦西（Martin Schwarzschild）教授指導(dǎo)和美國(guó)海軍研究辦公室贊助，并由珀金埃爾默（Perkin-Elmer Corporation）公司設(shè)計(jì)和制造的望遠(yuǎn)鏡。該項(xiàng)目的目標(biāo)是獲得具有前所未有的分辨率和細(xì)節(jié)的太陽(yáng)米粒組織圖像。

望遠(yuǎn)鏡鏡筒有八英尺長(zhǎng)，在鏡筒的另一端是一個(gè)平面鏡和一個(gè)棱鏡，它們將拋物面鏡收集的光反射到一個(gè) 35 毫米的電影攝影機(jī)。35 毫米膠片的每一幀視場(chǎng)都是太陽(yáng)表面約 50,000×35,000 英里的矩形區(qū)域。攝影機(jī)曝光以每秒一次的頻率進(jìn)行，每次持續(xù) 1 毫秒。

在飛行中，儀器的頂部連接著一個(gè)降落傘，而降落傘的頂部又連接到氣球的底部（如圖 3b）。相機(jī)中的膠卷用完后，預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)器會(huì)將望遠(yuǎn)鏡垂直收起在框架內(nèi)，并將降落傘從氣球上切下。

框架除了用作支架外，還可以在望遠(yuǎn)鏡接觸地面時(shí)保護(hù)望遠(yuǎn)鏡：底部的防撞墊可減緩著陸時(shí)的沖擊力，而頂部的飛輪則在框架側(cè)翻時(shí)保護(hù)望遠(yuǎn)鏡。

由于 Stratoscope I 從地面升起到平流層的過(guò)程中，溫差變化巨大，為了最大限度地減少變形，望遠(yuǎn)鏡的鏡筒上有數(shù)千個(gè)小孔，可以消散集中在鏡筒內(nèi)的熱量。

圖 1 Stratoscope I。

圖源：STRATOSPHERIC BALLOONS

1957 年 8 月 22 日清晨六時(shí)二十分，Stratoscope I 進(jìn)行了第一次飛行，此次飛行沒(méi)有架上真正的望遠(yuǎn)鏡，而是一個(gè)攜帶測(cè)試相機(jī)的虛擬望遠(yuǎn)鏡，用于評(píng)估系統(tǒng)的指向精度。此次任務(wù)相當(dāng)成功，球載望遠(yuǎn)鏡的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)足夠穩(wěn)定，并且可以拍攝到太陽(yáng)米粒組織。同年 9 月和 10 月又完成了兩次飛行。

圖 2 Stratoscope I 拍攝到的太陽(yáng)米粒組織。

圖源：1959 SCIENTIFIC AMERICAN, INC

圖 3 Stratoscope I 第二次飛行。a. 飛行前球載望遠(yuǎn)鏡的完整結(jié)構(gòu)，包括氣球、望遠(yuǎn)鏡和降落傘等；b. 上升中的 Stratoscope I；c. 著陸后的 Stratoscope I，鏡頭前方是望遠(yuǎn)鏡框架的底部防撞墊。

圖源：STRATOSPHERIC BALLOONS/ 1959 SCIENTIFIC AMERICAN, INC

哈勃望遠(yuǎn)鏡的先輩

由于 Stratoscope Ⅰ的成功，普林斯頓大學(xué)將此球載望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了升級(jí)，并命名為 Stratoscope Ⅱ。1963 年 3 月 1 日傍晚，這架被視為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的前身的 StratoscopeII 騰空而起，隨風(fēng)而去。

Stratoscope Ⅱ可以說(shuō)是有史以來(lái)最復(fù)雜的氣球載望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)之一。它的目標(biāo)是拍攝行星和恒星星云。該項(xiàng)目同樣由普林斯頓大學(xué)指導(dǎo)，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) ( NSF ) 、海軍研究辦公室 ( ONR ) 贊助，并得到美國(guó)國(guó)家航空航天局 ( NASA ) 的支持。

圖 4 StratoscopeII 首次發(fā)射的紀(jì)念明信片，上面的字樣可見(jiàn) StratoscopeII 的第一項(xiàng)科學(xué)任務(wù)是去觀測(cè)火星（的紅外光譜）。

圖源：STRATOSPHERIC BALLOONS

這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)由主筒和側(cè)臂組成固定的 L 形結(jié)構(gòu)。望遠(yuǎn)鏡和一個(gè) 10º 視場(chǎng)的電視攝像機(jī)一起安裝在主筒中，用于定位要研究的天空的大致區(qū)域。側(cè)臂組件裝有導(dǎo)星部件、攝像設(shè)備和另一臺(tái)電視攝像機(jī)，該攝像機(jī)具有 1º 視野，用于拍攝特定的天體。

L 形結(jié)構(gòu)部件由 " 關(guān)節(jié) " 支撐，關(guān)節(jié)包含驅(qū)動(dòng)器和軸，可以控制望遠(yuǎn)鏡在天空中的指向。另外 L 型結(jié)構(gòu)和 " 關(guān)節(jié) " 由上方的方位角軸承支撐，允許望遠(yuǎn)鏡可以繞垂直軸 360 度轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 5 中最上方的是一個(gè)慣性環(huán)。該環(huán)為儀器供電并最終用于吸收著陸時(shí)的部分沖擊。

圖 5 馬丁 · 史瓦西教授與 StratoscopeII 合影

圖源：STRATOSPHERIC BALLOONS

二十一世紀(jì)的球載望遠(yuǎn)鏡

進(jìn)入二十一世紀(jì)，球載望遠(yuǎn)鏡不斷升級(jí)，承擔(dān)的任務(wù)也越來(lái)越多。

1.BLAST

宇宙中天體發(fā)出的亞毫米波信號(hào)在穿過(guò)大氣層時(shí)，會(huì)在很多頻率上發(fā)生嚴(yán)重衰減。因此，2003-2006 年期間，來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研制了 BLAST 球載大口徑亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（圖 6），將其升至大氣稀薄的高空進(jìn)行天文觀測(cè)。

BLAST 球載望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目分為第一代 BLAST-Pol（取名自 Polarimeter 偏振計(jì)）和第二代 BLAST-TNG（The Next Generation）兩個(gè)不同型號(hào)，近年來(lái)開(kāi)展了多次飛行試驗(yàn)。其中第二代氣球 BLAST-TNG 自重約 1800kg，有一個(gè)鋁制框架作為氣球吊艙，支撐著口徑達(dá)到 2.5m 的主鏡和其他觀測(cè)設(shè)備。

氣球在地面上充氣后，升至海拔 38km 左右的高度進(jìn)行穩(wěn)定觀測(cè)，在這一高度的大氣壓力很低，氣球體積在此處相較于在地面上膨脹了 200 倍左右。

設(shè)備升級(jí)后，它的測(cè)繪速度至少是前一代 BLAST-Pol 的 10 倍，分辨率大約是其 6 倍。這一項(xiàng)目的目標(biāo)是觀測(cè)銀河系中的恒星形成區(qū)，得到磁場(chǎng)分布，從而研究星際介質(zhì)密度分布，了解磁場(chǎng)對(duì)恒星誕生的影響。

圖 6 BLAST。

圖源：《氣球望遠(yuǎn)鏡助天文學(xué)家研究新生恒星的搖籃》

BLAST 項(xiàng)目觀測(cè)獲得了大量有價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)，幫助人類突破了認(rèn)知的極限。然而該項(xiàng)目的進(jìn)程也遭遇了不少波折與難題：初代 BLAST 曾經(jīng)在南極洲上空盤旋 11 天后，著陸時(shí)與降落傘分離失敗，被降落傘拖曳著在南極洲的冰面上拖行了大約 200 公里，部分結(jié)構(gòu)損壞、脫離散落，最終無(wú)法恢復(fù)。萬(wàn)幸的是，壓力容器里放置的實(shí)驗(yàn)硬件將寶貴的觀測(cè)數(shù)據(jù)安全保存了下來(lái)。

2.STO

平流層太赫茲天文臺(tái)（STO）是一臺(tái)由高空氣球搭載的紅外望遠(yuǎn)鏡（圖 7），它是由亞利桑那大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)國(guó)際合作項(xiàng)目——噴氣推進(jìn)研究所（JPL）、荷蘭空間研究所（SRON）和代爾夫特理工大學(xué)提供了硬件設(shè)備，哈佛 - 史密松森天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的科學(xué)家們負(fù)責(zé)了 STO-1 和 STO-2 任務(wù)的科學(xué)觀察和分析，世界各地的許多機(jī)構(gòu)也參與其中。

圖 7 STO 球載望遠(yuǎn)鏡的試飛實(shí)拍。

圖源：http://soral.as.arizona.edu/STO/Test_Flight.html

STO 任務(wù)是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間氣球?qū)嶒?yàn)，第一代 STO 于 2012 年在南極洲上空 40 公里處懸浮飛行了 14 天；2016 年第二代氣球 STO-2 在南極上空飛行觀測(cè)了三周。該任務(wù)旨在解決現(xiàn)代天體物理學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：理解星際介質(zhì)（ISM）的演化周期。STO 以 1 弧分的角分辨率測(cè)量銀河系平面上一部分天區(qū)的主要星際冷卻線 [ C II ] （158μm）和重要的恒星形成示蹤劑 [ N II ] （205μm）。

STO 任務(wù)官方發(fā)布的四大科學(xué)目標(biāo)：

1. 確定銀河系星際氣體的演化周期；

2. 研究星系中恒星形成云的產(chǎn)生和破壞機(jī)制；

3. 確定星系中恒星形成速率的影響因素；

4. 建立其他星系的恒星形成和恒星 / 星際反饋的模型。

圖 8 STO-2 測(cè)量到的 [ CII ] 158μm 積分強(qiáng)度值 ( 紅色等值線 ) 疊加在 Hubble Hα、Spitzer 8μm 、Herschel 160μm, 和 Herschel 500 μm 連續(xù)譜圖像上。等值線強(qiáng)度值分別是 100,150,200,250,300 和 350，橫坐標(biāo)是銀道坐標(biāo)系的赤經(jīng)，縱坐標(biāo)是銀道坐標(biāo)系的赤緯。

圖源：The Astrophysical Journal

我國(guó)的球載望遠(yuǎn)鏡

早在 1977 年 7 月，中國(guó)科學(xué)院高能物理所宇宙線室的高能天體物理組就提出了發(fā)展我國(guó)高空科學(xué)觀測(cè)氣球的建議，并在隨后的時(shí)間里對(duì)氣球球膜、70～500 米氣球進(jìn)行了試制。上海天文臺(tái)于 1982 年 9 月在香河氣球發(fā)射站進(jìn)行高空科學(xué)氣球天文觀測(cè)試驗(yàn)，測(cè)得了太陽(yáng)在 4.6μm 和 18μm 波長(zhǎng)的紅外輻射。

1984 至 1987 年間，在中國(guó)科學(xué)院高能物理所和中國(guó)科學(xué)院大氣物理所的協(xié)同配合下進(jìn)行了五次飛行試驗(yàn)來(lái)收集高空宇宙塵，科學(xué)家成功收集到了來(lái)自高空的宇宙塵并對(duì)樣品進(jìn)行了電子探針?lè)治觥＿@些科學(xué)試驗(yàn)也對(duì)我國(guó)未來(lái)球載望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)起到了深遠(yuǎn)的影響。

圖 9 我國(guó)科學(xué)家繪制的氣球飛行器示意圖

圖源：我國(guó)的高空科學(xué)氣球與高能天文觀測(cè) [ J ] . 自然雜志 ,1984

1979 年，" 中國(guó)科學(xué)院高空氣球第一期工程 " 啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)各單位在數(shù)年間的協(xié)同合作，我國(guó)已多次成功發(fā)放 500～30000 立方米的氣球。1980 年后，中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家們成功開(kāi)展了高空氣球上對(duì) γ 射線背景、太陽(yáng)遠(yuǎn)紅外輻射和脈沖中子星硬 X 射線的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

從上世紀(jì)末開(kāi)始，我國(guó)大力發(fā)展了長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭，臨近空間球載望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)從那時(shí)起逐步減少，但是未來(lái)中國(guó)仍將繼續(xù)探索臨近空間探測(cè)的技術(shù)和理念。

最后聊聊氣球吧

高空氣球與飛艇一并被稱為世界上用處最廣泛的兩大類浮空器。而各國(guó)一直在積極推進(jìn)對(duì)浮空器搭載設(shè)備進(jìn)行天文觀測(cè)、氣象觀測(cè)等的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，收獲頗豐。

作為球載望遠(yuǎn)鏡的飛行動(dòng)力，高空氣球有著價(jià)格低廉，技術(shù)成熟和研發(fā)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。二十世紀(jì)至今，零壓氣球被用作大部分的球載望遠(yuǎn)鏡的飛行載體。所謂零壓氣球，就是先給氣球充氣，氣球中帶有排氣管。因?yàn)榈孛媾c大氣層有壓強(qiáng)差的原因，氣球到達(dá)平流層會(huì)膨脹，然后排氣管排放出一部分氣體使得氣球內(nèi)外壓強(qiáng)保持平衡，氣球能保持一定的飛行高度。

除了零壓氣球，中國(guó)科學(xué)院在超壓氣球方面同樣做了相關(guān)探索性的科學(xué)工作，如中科院光電所研制的超壓氣球于 2017 年 9 月在內(nèi)蒙古成功首飛。超壓氣球是封閉式氣球，沒(méi)有排氣管，上升到一定高度時(shí)內(nèi)部壓力升高，氣球內(nèi)部浮升，氣體密度加大，然后實(shí)現(xiàn)重力和浮力的平衡。

圖 10 零壓氣球和超壓氣球工作狀態(tài)對(duì)比。

圖源：祝榕辰 , 王生 . 超壓氣球研究與發(fā)展現(xiàn)狀

隨著太陽(yáng)系各行星和衛(wèi)星不斷被人類探索，一些用于深空探測(cè)的氣球探測(cè)器也逐漸開(kāi)始研發(fā)，相變氣球、熱氣球等不同類型的氣球同樣也被考慮進(jìn)來(lái)。表 1 總結(jié)了適合氣球探測(cè)的太陽(yáng)系星體以及它們的大氣特性。

圖源：吳耀 , 姚偉 , 王超 , 呂曉辰 , 馬蓉 . 氣球型深空探測(cè)器技術(shù)研究進(jìn)展

結(jié)語(yǔ)

如今，飛機(jī)與火箭已將我們的觀測(cè)設(shè)備運(yùn)送至前所未及的高度，而人們依然沒(méi)有放棄利用球載望遠(yuǎn)鏡去眺望來(lái)自宇宙深處的輝光。在未來(lái)，也許它的身影會(huì)逐漸淡去，但作為承載著人類飛上藍(lán)天，探索世界夢(mèng)想的使者，球載望遠(yuǎn)鏡是人類在天文科學(xué)觀測(cè)史上邁出的輝煌一步，也是這個(gè)藍(lán)色星球上的文明用自己微薄力量，努力朝著周圍星際空間探出的驚鴻一瞥。