图解空间望远镜发展史

文/ 叶楠

宇宙线空间探测器/引力波空间探测器

宇宙线的发现

1912 年8 月7 日，美籍奥地利裔物理学家维克多·赫斯（图正中）乘坐一台热气球，带着3 台静电计飞到了5300 米高空。在热气球不断上升的过程中，他发现随着高度的增加，静电计的读数也在不断上升，这与之前普遍认为的地球是主要的辐射源，地表辐射应该多于高空的观点正好相反。1913～1914 年，科尔霍斯证实了赫斯的发现。这种随着海拔升高而增加的射线被称为“宇宙射线”，简称“宇宙线”。赫斯也因此获得了1936 年诺贝尔物理学奖。但是宇宙线的名字其实并不恰当，因为宇宙线并不是一种电磁辐射，而是来自于宇宙之中的高能粒子。

初级和次级宇宙线

宇宙线是来自于外太空的高能亚原子粒子，这些粒子称为初级宇宙线。初级宇宙线中约90%是质子、约9%是氦原子核、约1%是电子。当初级宇宙线进入地球大气层，与大气中的原子核发生碰撞时会产生大量的次级粒子，被称为次级宇宙线。次级宇宙线主要包括μ 介子、质子、反质子、阿尔法粒子、电子、正电子、中子等。地面探测只能接收到次级宇宙线，图为位于我国四川省稻城县的高海拔宇宙线观测站，配备有电磁粒子探测器阵列、μ介子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列和广角切伦科夫望远镜阵列等探测设备。若想对初级宇宙线进行探测，还需要将探测器置于太空之中。

早期对于宇宙线的探测和电磁辐射中的γ 射线探测是同步开始的，直到20 世纪90 年代，才有了对宇宙线的专项探测研究。

太阳异常性/磁层粒子探索者

太阳异常性/磁层粒子探索者（SAMPEX）是美国宇航局小型探测器项目中的第一个航天器，卫星长1.5 米、宽0.9 米，总质量只有157 千克。1992 年7 月3 日，SAMPEX 从范登堡空军基地由侦察兵G-1 运载火箭送入512 千米×687 千米、周期96.7 分钟、倾角81.7 度的轨道。SAMPEX 共携带有4 套科学仪器，用于探测来自太阳的高能粒子以及被认为是在太阳终端激波中加速的“异常”宇宙线。SAMPEX 执行科学任务运行至1997 年，之后主要用于教育及科普领域至2012 年11 月。

阿尔法磁谱仪01

阿尔法磁谱仪01（AMS-01）最早由物理学家丁肇中提出。AMS-01 只是一个简化版本用于前期的先导试验，后续还有AMS-02。左图是1997 年4 月运抵肯尼迪航天中心正在安装的AMS-01。AMS-01 的主体是由6000 个汝铁硼磁铁组成的圆柱形永磁体，它是第一个运行在太空中的大型磁谱仪。1998 年6 月2 日至12 日，发现号航天飞机执行STS-91 任务，这也是航天飞机最后一次飞向和平号空间站。右图是从和平号空间站拍摄的发现号航天飞机，AMS-01 被放置于靠近尾部防火墙位置。在为期10 天的任务中，AMS-01 收集到近8000 万次高能粒子触发事件，证明空间粒子探测器的想法是可行的。

PAMELA 实验

PAMELA实验的全称是反物质探测和轻核天体物理学实验，是附加在俄罗斯资源DK1 号卫星上的宇宙线探测模块（左图）。资源DK1 号卫星于2006 年6 月15 日由联盟号火箭从拜科努尔发射场送入太空，轨道高度350 千米×610 千米、倾角70 度。PAMELA 实验模块高1.3 米、重470 千克，由俄罗斯、意大利、德国和瑞典合作开发。右图是正在组装中的资源DK1 号卫星与PAMELA实验模块。直至2016年2月资源DK1号卫星停止工作，整个任务持续了近10 年时间。

星际边界探测者

星际边界探测者（IBEX）（左图）是美国宇航局小型探测器项目的一颗卫星，于2008年10月19日由飞马座XL火箭发射升空。2011 年6 月经过一次轨道转移后稳定在8.6 万千米×26 万千米的椭圆轨道上，在这个高度，可以远离地球磁层的干扰。IBEX 的主要科学任务是研究太阳风与太阳系边缘星际介质的相互作用。右图是基于IBEX 数据得到的日球层图像，可以看出明显的高能中性原子（ENAs）带。同时，它还测量得到太阳系相对星际介质的速度为每秒23.2 千米，低于之前尤利西斯号太阳探测器的数据。

暗物质粒子探测器

暗物质粒子探测器（DAMPE）也称为“悟空号”，是中科院于2015 年12 月17 日发射的一颗卫星，由长征二号丁火箭从酒泉卫星发射中心发射升空。“悟空号”的主要工作是探测由暗物质粒子碰撞后产生的γ 射线、正负电子、宇宙线粒子等。配备的科学仪器有闪烁阵列探测器、硅阵列探测器、电磁量能器及中子探测器等，是迄今为止观测能量范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子空间探测器。

2017 年11 月30 日，国际权威学术期刊《自然》在线发表，“悟空号”有充分数据证实，在太空中测量到了电子宇宙射线的一处异常波动，这一波动此前从未被观测到，意味着中国科学家取得一项开创性发现，且有可能与暗物质相关。

阿尔法磁谱仪02

阿尔法磁谱仪02（AMS-02）被称为“迄今为止送入太空的最复杂的粒子探测器”，整个任务涉及16 个国家56 个机构的500 多名科学家。AMS-02 重达7.5 吨，功率达2500 瓦，它被安置在国际空间站上（上图），由空间站为其提供所需的电力。2011 年5 月16 日，奋进号航天飞机将AMS-02 送上太空，这也是“奋进号”的最后一次飞行。2019年底至2020 年初，航天员进行了四次太空行走，对AMS-02 进行了升级维护。下图是2019 年12 月2 日航天员卢卡·帕米塔诺为AMS-02 更换新的热力泵系统。迄今为止，AMS-02 还在空间站上正常运行着，为研究反物质、暗物质、奇异物质与空间辐射环境提供重要的观测数据。

引力波

引力波是加速的质量在时空中产生的涟漪。重力是时空曲率的表现形式，质量的变化可以导致时空曲率的变化，这种变化以波的形式向外传播，速度等于光速，这种现象被称为引力波。由于引力波基本不与物质产生相互作用，对它的探测持续了半个多世纪，直到2015年激光干涉引力波观测台发现引力波信号GW150914：这是一次双黑洞并合事件，2 个质量分别是36 倍和29倍太阳质量的黑洞，并合为一个质量为62 倍太阳质量的黑洞，而减少的3 倍太阳质量（能量）以引力波的形式释放出去。至此，人类才首次证实了引力波的存在，这一发现也让3 位美国物理学家获得了2017 年的诺贝尔物理学奖。图为黑洞并合艺术想象图。

激光干涉引力波天文台

激光干涉引力波天文台（LIGO）是2 台分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的天文台。与一般的望远镜完全不一样，LIGO 使用的是激光干涉的方法探测引力波，而引力波的强度相当于1 千米长的铁轨上产生10-19米的变化。每个天文台最大的特征是垂直方向上两条各长4 千米的干涉臂。利用类似迈克尔逊干涉仪的原理，如果某个方向上发生引力波事件，则会引起这个方向上的时空扰动，激光干涉条纹也会产生有规律的变化。干涉臂的长度越长，这种干涉现象就会越明显。但是受限于地球本身大小的限制，以及地质运动会使得干涉臂本身的空间尺度不稳定。所以，为什么不将引力波天文台置于太空之中呢？

激光干涉引力波观测台

激光干涉引力波观测台（LISA）是欧空局和美国宇航局合作的引力波探测项目，计划于2034 年投入运行。左图为LISA 构想图，它由3 个相同的航天器构成一个边长250 万千米的等边三角形，这个基线长度是LIGO 的62.5 万倍，将大大提高观测灵敏度。为了实现这一构想，2015 年12 月3 日，欧空局发射了一颗名为“LISA 探路者号”的探测器（右图），为LISA 任务所需的技术进行试验性研究。在“LISA 探路者号”上，通过光学干涉技术精确测量了两个相距38 厘米（模拟LISA 一条基线）的两个物体的相对运动，整个任务持续了16 个月时间，试验结果表明空间激光干涉技术是可行的。（全文完）