圖解空間望遠鏡發展史

文 / 葉楠

γ射線空間望遠鏡（下）

γ衛星

γ衛星是蘇聯和法國聯合研制的一臺γ射線空間望遠鏡，于1990年7月11日發射進入高375公里、傾角51.6度的地球軌道。早在1965年，蘇聯就提出了搭載于空間站上的γ射線望遠鏡計劃，其間幾經波折，項目最終于1979年獲得授權，原計劃于1984年發射，但最終推遲到了1990年。γ衛星共搭載了3臺γ射線望遠鏡：γ射線-1，探測波段50MeV～6GeV；盤-M，探測波段20keV～5MeV；脈沖星X-2，探測波段2～25keV。γ衛星運行了一年半的時間，對銀河系中心、天鵝座X-1、武仙座X-1、蟹狀星云等進行了觀測，還對處于活動高峰期時的太陽活動進行了監測。

康普頓γ射線天文臺

阿瑟·康普頓（1892—1962）是美國物理學家（左圖），1923年，康普頓發現當X射線或γ射線與物質產生相互作用后，因能量損失會發生波長變長的現象，這一發現后被稱為康普頓效應，是對電磁波具有粒子性的有力證明。因這一發現康普頓獲得了1927年的諾貝爾物理學獎。

以他的名字命名的康普頓γ射線天文臺（CGRO）（右圖）是美國“大型軌道天文臺計劃”四臺空間望遠鏡之一，其他三臺分別是：哈勃空間望遠鏡、錢德拉X射線天文臺和斯皮策空間望遠鏡。CGRO于1991年4月5日從肯尼迪航天中心由阿特蘭蒂斯號航天飛機送入軌道，整個發射質量達到17噸，是當時最重的空間天文儀器載荷。CGRO攜帶的4臺探測器可以覆蓋能量范圍從20keV至30GeV的X射線和γ射線波段。CGRO一直工作至2000年，9年間它完成了第一次能量在100MeV以上的巡天觀測，發現了271個新的射線源，共發現近2700次γ射線暴事件。但令人奇怪的是，在鄰近星系幾乎沒有發現γ射線暴事件，都是來自于更加遙遠的星系。

GRB 990123

1999年1月23日，CGRO記錄到了一個強大的γ射線暴事件GRB 990123，整個過程持續了約90秒，在第25秒和40秒出現了兩個明顯的峰值爆發，在8分鐘以后，輻射強度下降至峰值的百分之一。GRB 990123能夠排名當時已發現所有γ射線暴強度的前2%。在CGRO發現此次事件之后，天文學家使用位于美國新墨西哥州的ROTSE-1光學望遠鏡迅速對準目標，在第22秒開始拍下目標的光學照片，其光學對應體從18等迅速增加到9等，光度增加約4000倍。第二天，位于夏威夷莫納克亞山的凱克望遠鏡拍攝到了它變暗后的影像，此時已經降低到20等，通過光譜分析發現紅移為1.6，可推算出距離約為90億光年。這是人類第一次同時記錄到γ射線暴與其光學對應體的亮度變化。

高能暫現源探測器2號

高能暫現源探測器2號（HETE-2）又名探險者79號（左圖），在它之前，HETE-1在1996年發射升空后由于爆炸螺栓問題未與火箭脫離而失敗。HETE-2于2000年10月9日由飛馬座空射型運載火箭（右圖）成功送入軌道，這是一顆非常小巧的衛星，發射質量只有124千克。HETE-2上裝載有紫外、X射線和γ射線探測器，其主要工作是對γ射線暴進行多波段觀測。它的定位精度達到了10角秒，還擁有一套網絡系統可以快速調用地面望遠鏡進行光學和紅外波段的觀測。HETE-2有許多新的發現：GRB 030329的發現將γ射線暴同超新星爆發緊密聯系在了一起；GRB 050709是人類發現的第一個具有光學對應體的短γ射線暴。

國際γ射線天體物理實驗室

國際γ射線天體物理實驗室（INTEGRAL）是歐空局、俄羅斯航天局和美國宇航局共同合作的一項γ射線探測任務。2002年，INTEGRAL從拜科努爾航天發射場由質子-K型火箭送入太空，這是歐空局歷史上發射過的質量最大的科學載荷，達到了4噸。INTEGRAL的軌道高度為6300公里×157000公里，具有很高的偏心率。INGEGRAL主要攜帶有6套科學儀器：星載成像儀可對能量范圍從15keV的硬X射線至10MeV的γ射線進行觀測，角分辨率為12角分；光譜儀可探測到20keV至8MeV的輻射；γ射線暴探測器；X射線探測器；光學監視器；輻射監視器。INTEGRAL的觀測靈敏度是當時最強的，時至今日，它還擁有足夠的能量在繼續服役。期待它有更多的發現。

格雷爾斯雨燕天文臺

格雷爾斯雨燕天文臺（Swift）（左圖）是美國、英國及意大利合作的一項以γ射線暴為主要探測目標的空間探測任務。Swift攜帶有三套主要的觀測儀器，分別可以在γ射線波段、X射線波段以及紫外/光學波段進行觀測。右圖為Swift在紫外/光學波段拍攝的第一張照片，照片里的天體為俗稱風車星系的M101。當在巡天觀測中發現疑似γ射線暴時，Swift可以迅速的將三套設備對準目標，同時觀測數據也可以迅速傳回地面，以便其他地基天文臺進行配合觀測，這種“迅速”與“Swift”所代表的涵義之一有共通之處，而“格雷爾斯”這個名字是在2018年1月加上的，為了紀念于2017年去世的Swift首席科學家尼爾·格雷爾斯。

第1000個γ射線暴

Swift于2004年11月20日發射升空，計劃運行2年時間。從2005年2月它公布了首個發現開始，Swift取得了豐碩的觀測成果：它發現過紅移高達6.29的GRB 050904；爆發持續超過2000秒的GRB 060218；距離超過131億光年的GRB 090429B等等。到2015年10月，距離升空11年后，Swift發現了GRB 151027B（左圖），這是它發現的第1000個γ射線暴。時至今日，它依舊在560公里高度軌道上繼續服役，可以說在所有在軌的γ射線空間天文臺之中，Swift是工作時間最長、成果最為豐碩的一個。右圖為Swift當時發現的1000個γ射線暴相對銀道面分布圖。

敏捷號γ射線天文衛星

敏捷號γ射線天文衛星（AGILE）是意大利航天局的一顆X射線和γ射線天文衛星。2007年4月23日，AGILE從位于印度的薩迪什·達萬航天中心發射升空，軌道高度533公里×509公里，傾角只有2.47度，周期94.9分鐘。AGILE是一個邊長只有60厘米左右的六邊形立方體，重約100千克，是有史以來最小巧的空間高能天體物理探測設備。AGILE具有出色的探測和成像能力，整個任務期間，發現了來自于天鵝座X-3的γ射線輻射；探測到來自于蟹狀星云會產生變化的γ射線輻射；對粒子加速理論模型提出了新的挑戰。它還首次從超大質量黑洞3C 454.3中發現γ射線耀斑，并對黑洞馬卡良421進行了X射線和γ射線波段的聯合觀測。AGILE的快速數據處理系統可以在3到3.5小時內生成警報，是世界上最快的γ射線監視預警系統。

費米γ射線空間望遠鏡

費 米γ射線空間望遠鏡（FGST）（上圖）于2008年6月11日發射升空，是由美國宇航局、美國能源部、法國、德國、意大利、日本和瑞典共同合作的一項太空任務，是 繼INTEGRAL之后最敏感的γ射線空間望遠鏡。FGST主要攜帶有兩套科學儀器：大視場望遠鏡能夠同時對整個天空面積的20%金星γ射線探測，探測能量范圍在20MeV至300GeV之間；γ射線寶監測儀由14個閃爍探測器構成，用來監測8keV至1MeV能量范圍內的γ射線暴。下圖是FGST從2009年至2013年間繪制的強于1GeV的γ射線輻射空間分布圖。

FGST的新發現

2010年11月，FGST在銀河系附近發現兩個發出γ射線和X射線的氣泡，后被命名為費米氣泡，分別位于銀河系中心上下側，相對銀心最遠延伸25000光年。2012年，觀測到有史以來來自于太陽耀斑的最強γ射線輻射，其能量是可見光的20億倍，約40GeV。2013年4月，FGST探測到GRB 1130427A，能量達到940GeV，是迄今為止最強的γ射線暴，超過之前的最高紀錄3倍。2015年，當激光干涉引力波天文臺（LIGO）發現由兩個黑洞并合引發的引力波事件GW150914時，FGST在引力波事件0.4秒后探測到50keV的弱γ射線爆發，其來源天區與GW150914重合，但尚無明確的證據證明此次γ射線爆發與GW150914有直接關系。