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天文|40千米高空，科学家要放个气球当天文台

近日 ， 美国国家航空航天局（NASA）公布了一个新的项目 ， 计划利用气球将一个2.5米高的望远镜送入平流层 ， 构建一个空中天文台 。 任务小组最近完成了该天文台有效载荷的设计 ， 包括望远镜、科学仪器以及冷却和电子系统等 。 项目工程师将开始对这些子系统进行集成和测试 ， 以验证它们的性能是否符合预期 。 如果一切顺利 ， 这个空中天文台将在2023年底于南极升空 。
气球相较于其他观测手段有何优势？未来随着技术的进步 ， 这种古老的飞行器是否还会继续存在于观测任务中？带着这些问题 ， 科技日报采访人员采访了华中科技大学物理学院副院长吴庆文教授 。
保护地球的大气也是个障碍
地球表面有一层厚厚的大气 ， 大气层有效保护地球表面免受宇宙线、紫外线、太阳风粒子等各种辐射的致命轰击 ， 大气是孕育地球生命的必要条件 。
“然而 ， 对于天文观测来说 ， 地球大气却是一个障碍 。 ”吴庆文说 。 首先 ， 由于地球大气对电磁波的吸收、反射和散射等效应 ， 导致宇宙中很多电磁信号不能直接到达地球 。 少数波段的电磁波能够穿透地球大气 ， 这些波段我们称之为“大气窗口” 。 目前地球上大气窗口主要大气包括光学波段、近红外波段和射电波段 ， 然而对于远红外、毫米波、紫外线、X射线和伽马射线等几乎是不透明的 。
吴庆文表示 ， 每一扇窗口 ， 都能带给我们丰富的宇宙信息 ， 所以为了更加深入地了解宇宙 ， 我们必须越过地球大气这个障碍 。 另外 ， 地球大气的湍流也会让天体的像出现闪烁现象 ， 导致图像失真 。 为了从根本上克服地球大气层对天文观测的影响 ， 把望远镜放到大气层之外是非常有必要的 。
空间探测主要运载工具包括高空气球、飞机和火箭等 ， 其中气球是一种古老的飞行器 ， 已经有200多年的历史 。 宇宙射线的发现就是1912年奥地利物理学家维克托·赫斯乘坐气球进行实验的结果 。 第二次世界大战以后 ， 质量轻、强度高、性能先进的材料让探空气球实现了大型化 ， 并可以进入高空平流层 ， 极大地促进了大气科学、空间天文和宇宙射线等观测研究 。
“高空气球还可以进行空间载荷试验、遥感实验、生命科学实验等 。 ”吴庆文说 ， 考虑到空间实验对仪器的成熟度要求比较高 ， 因为任何问题都可能带来不可估量的损失 ， 而高空气球探测则具有成本低、见效快、可重复等特点 ， 所以气球依旧是很多空间和大气科学实验的理想搭载平台 。 正因如此 ， 很多科学卫星搭载的探测仪器都会先在高空气球上进行实验验证 。 比如我国2015年发射的“悟空”暗物质探测卫星和2017年发射的“慧眼”X射线卫星中相关仪器都在一些气球飞行实验中进行了前期验证和测试 ， 技术成熟之后才批复立项 。
在过去几十年中 ， 空间天文学取得了迅猛发展 ， 在大部分波段都有了空间望远镜 。 比如光学波段的哈勃空间望远镜、X射线波段的钱德拉卫星和牛顿卫星、伽马射线波段的费米卫星等 。 这些空间观测项目极大地拓展了人类的视野以及对宇宙的认识 。
在红外波段观测恒星
【天文|40千米高空，科学家要放个气球当天文台】NASA计划用气球将一个名为ASTHROS的望远镜 ， 在2023年左右送入平流层进行数周的观测 ， 其主要观测波段为亚毫米波到远红外波段 。 ASTHROS将是有史以来乘坐高空气球的最大望远镜 。 该望远镜需要上升到40千米的高度 ， 这个高度虽然远低于一般卫星高度 ， 但是已经可以避免远红外和亚毫米波段的大气吸收问题了 。
吴庆文说 ， 红外望远镜探测仪需要保持非常低的温度 ， 一般望远镜都会用液氦来冷却探测器 。 ASTHROS采用了新的方式 ， 它使用太阳能提供的电力来保持超导探测器接近零下268.5摄氏度（接近绝对0度） ， 这个低温冷却器的重量比传统的液氦冷却仪器轻得多 ， 因此大大减轻了有效载荷的重量 ， 可以在平流层工作数周 。
“红外波段的光可以穿透尘埃的遮蔽 ， 从而可以看到一些光学波段看不到的低温天体 ， 因此红外波段一个重要的观测目标就是恒星以及恒星形成区 ， 比如科学家经常利用红外波段来观测尘埃密布的银河系中心区域 。 ”吴庆文说 。
因此 ， ASTHROS的主要科学任务也集中在恒星物理上 ， 其携带的仪器可以用来测量新形成恒星周围气体的运动和速度 。 通过气体密度、速度和运动的三维信息揭示大质量恒星和超新星爆炸产生的星风物理 ， 从而了解恒星的反馈过程 ， 即恒星死亡时的猛烈爆发驱散了周围的星际介质 ， 这可以阻止恒星的进一步形成 。 ASTHROS还将观测长蛇座TW周围的尘埃和气体质量和分布 ， 这或许可以帮助我们认识恒星周围行星的形成过程 ， 如帮助理解太阳系八大行星的形成机制等 。 因此 ， ASTHROS将可以给人类带来丰富的恒星物理信息 。
吴庆文说 ， 实验如果成功 ， 科学家将继续发射卫星或采用更大的探测望远镜进行进一步的深入研究 。


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