科学|气球，不止装饰( 三 )
图11 KTH的脉冲星X-射线偏振望远镜PoGO ， 在基律纳用110万立方米气球升空
印度1969年在Hyderabad建立了气球基地和国家气球研究机构(NBF) ， 位于地球磁场赤道附近(8°N) ， 有其特殊的地理优势 ， 放飞了500多次高空气球 ， 多为10万~20万立方米 ， 1997后成功发放了40万和74万立方米气球 。
科学气球系统包括气球球体、发放系统和基地设施 ， 还包括视距或卫星中继测控数传系统 ， 气球吊舱能源、定位、姿控、浮力控制、电子学和数据管理系统 ， 飞行安全管理系统 ， 吊舱回收降落伞等系统 ， 以及搜寻回收和运输等设施 。 各国均配置了标准化、功能可组合的先进设备 。
3 气球科学观测的重要事例
利用科学气球开展了大量天体物理、宇宙科学、大气和地球科学研究 ， 领域广泛 ， 成果丰硕 。 以下介绍一些代表性项目 。
BOOMERANG(回旋器) ， 为美国宇宙微波背景探测气球实验 。 宇宙微波背景的发现(1964)和COBE卫星结果(1989)有力支撑了宇宙大爆炸和暴涨理论 ， 分获诺贝尔物理奖 。 但宇宙背景的微小不均匀性蕴藏着宇宙大爆炸后约37.6万光年高速膨胀期量子起伏(声波震荡)、背景光子与天体作用和宇宙结构的大量信息 ， 需要比COBE卫星角分辨率高得多的设备进行测量 。 1998年美国实施BOOMERANG任务 ， 在南极用80万立方米气球进行了11天飞行 ， 得到分辨率小于1度的局部宇宙微波背景图 ， 清晰地描绘出微波背景的不均匀性 ， 并测出宇宙相对密度Ω0在误差范围内为1 。
图12显示探测结果很好地符合几何平坦宇宙理论模型的结果预期 ， 即宇宙内含的总物质量产生的重力使其不至塌缩也不至于撕裂 ， 气球观测结果为2003年发射的威尔金森卫星WMAP提供了坚实基础 ， 其重要科学结论也得到证实 。
图12回旋器观测到的宇宙背景不均匀性图形(上) ， 与宇宙弯曲和平直模型预测图形(下)的比较
气球超导磁谱仪BESS ， 是美日合作项目 ， 测量宇宙线中的低能反质子 ， 寻找反氦核 ， 研究早期宇宙的基本粒子过程、原始黑洞及暗物质证据等 ， 起步于1990年 ， 早于丁肇中先生的AMS计划 。 探测器包括薄壁超导磁线圈 ， 内漂移室、轨迹漂移室、飞行时间闪烁描迹仪等 ， 1997年后采用气凝胶切伦科夫计数器取代漂移室 。
反物质缺失是粒子物理学的重大课题 ， 1955年在伯克利BeVatron加速器上首次发现了反质子(获1959年诺贝尔物理学奖) ， 1979年美国科学家用气球磁谱仪在130~320兆电子伏能区测到28个宇宙线中的反质子 ， 其反/正质子流强比远超宇宙线与星际气体作用模型 ， 由此反质子的宇宙起源成为重要课题 。 1989年中苏长时间气球合作时 ， 作者听列宁格勒物理技术学院的科学家说 ， 他们早于美国人用气球磁谱仪发现了宇宙反质子 ， 很可能当时冷战“铁幕”遮蔽了苏联科学家的成就 。
图13作者1993年在日本KEK ， BESS探测器前
1993年到2002年 ， BESS在加拿大林恩湖气球站进行了9次气球飞行 ， 共探测到2400多个反质子 ， 后升级为BESS-Polar ， 2004年在南极飞行8.5天 ， 2008年飞行24.5天 ， 获8000多个反质子事例 ， 得到反氦/氦比阈值低于3×108 ， 为当时最重要的结果 。
美国南极气球天文计划 ， 与ULDB计划同步 ， NASA征集了大量气球天文任务建议 ， 进行优选后形成南极气球天文计划 ， 包括约20个具有原创科学思想和新一代尖端仪器研发的项目 。 由于超压气球尚在试验中 ， 该计划主要用大型零压气球实施 ， 许多项目飞行了多次 ， 任务持续至今 ， 是科学气球史上最宏大的计划 。
图14南极气球计划气球发放场景
南极气球天文计划包括粒子和非粒子天体物理两部分 ， 粒子天体物理分为宇宙线起源加速、中微子天文、暗物质/反物质三个方向 ， 重要项目有：先进薄型离子量能器ATIC ， 宇宙线能量和质量探测器CREAM ， 宇宙线电子同步辐射望远镜CREST ， 银河全离子成分记录仪Super-TIGER ， 南极暂现脉冲天线ANITA ， 总反物质谱仪GAPS(寻找反氘核和中微子湮灭通道)等 。 在ATIC项目中 ， 中国科学家常进建议同时观测高能电子和伽马射线以及改进粒子鉴别方法 ， 经2002~2007年四次飞行累计56天 ， 发现电子能谱在300~800吉电子伏能区有一个显著的“超” ， 引发了观测原初宇宙线电子的一批空间任务 ， 推动了我国暗物质探测卫星DAMPE的立项和重大成果产出 。 ANITA采用非常奇特的方法 ， 用40个超宽带四角高灵敏天线探测中微子次级效应的电磁脉冲 ， 居然在2009年30天飞行中测到2个可能宇宙中微子事例 。
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