图解空间望远镜发展史

文 / 叶楠

γ射线空间望远镜（上）

在地球上，我们能感受到最强的电磁辐射来自于太阳，地球的大气层帮我们阻挡了来自宇宙中绝大部分γ射线、X射线等高能辐射，以及部分红外和射电波。大气只为我们打开了两扇“窗口”：一个允许可见光及部分红外线通过，我们眼睛能够感光的范围就在这个窗口之中；另一个位于射电波段，为无线电通讯、人造卫星数据传输等现代科技提供了可以实现的必要条件。我们的生活甚至生存都极大地依赖这两个“窗口”的存在，试想，如果大气无法阻挡高能辐射，那么地球可能会像其他行星一样，不会有生命存在。但是另一方面，高能天体物理是现代天文学研究的一个重要方向，而在地球表面我们是无法得到来自于这些天体的辐射信息的。因此，我们必须把望远镜放到天上去。

空间天文望远镜时代的开始

20世纪60年代，帕洛玛天文台口径5米的海尔望远镜（左图）是世界上最大、性能最好的光学望远镜；射电天文学领域的快速发展造就了当时射电天文学的四大发现：类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射；口径达305米的阿雷西沃射电望远镜（右图）还在建造之中……此时，天文学家的目光却早已对准了天上，他们希望有一天，天文望远镜可以漂浮于太空之中，那里没有地球重力造成的镜片形变，没有地球自转引起的白天黑夜，没有地球大气扰动造成的成像扭曲。

空间望远镜概念的提出

1946年，年仅32岁的美国天文学家小莱曼·斯皮策在一份报告中提出了将天文望远镜置于太空之中的想法，并对其优缺点进行了分析。这对空间天文望远镜的后续发展影响是巨大的，包括哈勃空间望远镜在内的诸多空间望远镜都参考了斯皮策的观点。后来，美国宇航局在2003年发射的斯皮策空间望远镜就是以他的名字命名的。1947年，斯皮策接替罗素成为普林斯顿大学天文台台长，之后接任普林斯顿大学天文系主任直至退休。

γ射线

1900年，法国化学家和物理学家保罗·维拉尔利用阴极射线照射含有镭的氯化钡，照片记录上发现产生的辐射穿透了厚度为0.2毫米的铅箔。这一穿透能力极强的辐射后被命名为γ射线，是继α射线、β射线之后人类发现的第三种原子核射线。1913年，γ射线被证明是电磁波，波长小于0.02纳米，是电磁波中波长最短、能量最高的，其穿透特性在医学领域有着广泛应用。在天文学领域，γ射线一般来自于恒星内部的核合成，以及高能天体物理现象，比如超新星、类星体、黑洞并合事件等都会发射大量γ射线。γ射线不同于可见光，不能利用光学透镜去进行汇聚成像，所以γ射线望远镜在外形上与光学望远镜截然不同，更多的是利用γ射线与其他物质作用后引起的电离现象进行间接测量，一般称之为闪烁探测器。上图为模拟的γ射线暴现象。

范艾伦辐射带

范艾伦辐射带是在地球附近的近层空间中，由大量带电粒子聚集而成的环状辐射带，由美国物理学家詹姆斯·范·艾伦发现并命名。其粒子来源一般认为是被地球磁场俘获的太阳风粒子。由于和地球磁场有关，所以辐射带在两极地区更接近地表，也更容易观测到极光。而在赤道地区辐射带较高，一般情况下在500公里至10万公里之间。当太阳活动剧烈时，其高度可能会被压缩至海拔200公里高度。范艾伦辐射带主要由两个条带组成，内外层之间有明显的缝隙。对于人造卫星来说，范艾伦辐射带的影响是巨大的，会干扰诸多仪器的正常运行，甚至会造成损坏。所以卫星轨道高度的选择，以及在太阳活动高峰期对仪器的保护都是要提前考虑到的。

探险者11号卫星

美国的探险者11号卫星（上图）是世界上第一个配备了γ射线望远镜的卫星，标志着γ射线天文学的开端。1961年4月27日，“探险者11号”由朱诺Ⅱ型火箭发射升空（下图），轨道高度300公里×1100公里。它携带有夹层闪烁探测器和切伦科夫计数器，用来测量高能γ射线的能量和来源方向。但由于入轨高度高于计划的轨道高度，“探险者11号”受到了范艾伦辐射带的干扰，7个月间只有141个小时的有效观测时段，直到11月17日，“探险者11号”才第一次，同时也是最后一次传回数据，它一共探测到了22次γ射线事件。

质子号卫星

1965年7月16日，苏联的质子1号卫星成功升空，进入183公里×589公里的绕地轨道，在轨时间接近3个月。质子1号卫星由切洛梅设计局设计制造，目标是对空间高能粒子进行探测研究。此后至1968年的3年间，苏联又陆续发射了3颗质子号卫星，最后1颗为“质子4号”，它的在轨时间长达250天。质子号高能粒子探测任务于1969年全部结束，但“质子号”的名字却继承了下来，未来的质子号运载火箭，其知名度远远盖过了质子号卫星。

小型天文卫星2号

小型天文卫星2号也被称为SAS-2或者探险者48号，是美国宇航局的一台γ射线望远镜，1972年11月15日从位于肯尼亚马林迪海岸外的圣马可发射平台升空，进入443公里×632公里的近赤道轨道。SAS-2整体呈圆柱形，直径为59厘米、高135厘米，有4个太阳能电池板。SAS-2主要目标是探测能量范围在20MeV至300MeV之间的来自于银河系及河外星系的γ射线辐射的空间和能量分布。探测仪器由一台闪烁探测器、一台火花室以及一台带电粒子探测望远镜组成。SAS-2正常运行到1973年6月8日，它最大的发现是杰敏卡γ射线源。

杰敏卡γ射线源

杰敏卡γ射线源的英文名为Geminga，由其所在星座双子座Gemini和γ射线源gamma-raysource两个词组合而成。“杰敏卡”距离我们约815光年，在SAS-2发现它之后的20年里尚无法得知它到底是什么天体，直到1991年，ROSAT卫星探测到了它在软X射线波段具有0.237秒的辐射周期，证明它是一颗中子星，是大约30万年前一颗大质量恒星发生超新星爆发后核心坍缩而成。图为“杰敏卡”相对于银道坐标的位置。

COS-B卫星

COS-B卫星是欧洲航天研究组织的第一个宇宙γ射线源研究项目，于20世纪60年代中期提出，并于1969年得到批准。COS-B卫星于1975年8月9日从范登堡空军基地由德尔塔2913火箭发射升空。该卫星共在轨运行了6年多，超出计划4年，使天体的γ射线数据量增加了25倍。COS-B卫星的探测能量范围在70MeV至5GeV之间，其科学成果被总结为2CG星表，其中包括25个γ射线源。根据其成果还绘制了银河系的γ射线辐射图。

HEAO-3天文台

HEAO-3天文台是美国宇航局高能天文观测台3个探测器中的最后1个，前两个都是以X射线为主要观测波 段。“HEAO-3” 于 1979年 9月20日从卡纳维拉尔角空军基地发射升空，轨道高度486公里×505公里，倾角43.6°，公转周期为94.5分钟。“HEAO-3”的主要工作模式是巡天观测，约20分钟自转一周，自转轴指向太阳。“HEAO-3”携带的探测器名为“C-1”，可以在硬X射线和低能γ射线波段工作，目标是寻找来自于恒星、星系及星际介质中正电子湮没产生的能量为511keV的γ射线辐射，星际介质中宇宙线相互作用产生的γ射线辐射等。“HEAO-3”运行至1981年12月7日。