圖解空間望遠鏡發展史

文/ 葉楠

紫外空間望遠鏡（上）

紫外天文學

1801年，德國物理學家約翰·里特發現將浸過氯化銀的紙張暴露在可見光光譜的紫色端之外，能夠比暴露在紫色光下更快地變暗。里特將其稱為“氧化射線”，以強調這種化學作用，并與可見光光譜另一端的“加熱射線”區分開來。隨著對光譜認識的深入，這兩個術語最終被紫外線和紅外線取代。紫外線的波長范圍在10 ～400 納米之間，是一種人類看不見的光線。

我們能觀測到的大多數恒星是相對比較冷的天體，它們發出的電磁輻射主要集中在可見光和紅外波段。天體在紫外波段的照片與我們熟悉的在可見光下的樣子大不相同，左圖是太陽在可見光下的圖像；右圖是太陽在30 納米波段的紫外圖像，可清晰辨別耀斑和日冕物質拋射。

紫外線主要用來探測處于演化早期階段的恒星，辨別星際介質的化學成分，尋找星系演化的相關信息，搜尋熱白矮星等等。由于大氣阻擋了大部分紫外線，所以紫外望遠鏡也需要置于太空之中。

軌道天文臺計劃

在空間天文臺時代之前，基本都是依靠小型火箭飛出大氣層之外來獲取天體在可見光以外波段的觀測信息。但是火箭一次飛行大約只能收集約5 分鐘的數據。截至1968年，一共飛行40 多次的深空火箭只收集了約3 個小時的天體紫外測量數據。如果有一臺空間望遠鏡呢？一天就可以完成比火箭多得多的觀測數據。

1958年6月，美國國家科學院成立了空間科學委員會，由勞埃德·貝克納（左圖）擔任主席。當年年底，委員會成員物理學家庫珀里安（右圖）提出了“軌道天文臺（OAO）計劃”提案。1959年，庫珀里安被調到了戈達德太空飛行中心，擔任天體物理部門的負責人，成為OAO 計劃的項目科學家。1966年至1972年期間，共有4 顆OAO 衛星升空。

軌道天文臺1號

1966年4月8日，軌道天文臺1號（OAO-1）由阿特拉斯-半人馬火箭送入高度近800公里的圓形軌道。但OAO-1 在與火箭分離僅僅7 分鐘后，電源就出現了故障，無法為任何設備提供能源。3 天后，OAO-1 任務宣告失敗。它是人類歷史上第一臺送入太空的望遠鏡，但卻遺憾地沒有完成任何觀測。圖為1965年，在紐約貝斯佩奇的格魯曼飛行器工程公司，OAO-1 在一個無塵塑料帳篷里進行測試。

軌道天文臺2號

1968年12月7日，軌道天文臺2號（OAO-2）在卡納維拉爾角空軍基地36B 發射平臺搭乘阿特拉斯-半人馬火箭順利進入太空。OAO-2 發射質量為2012 千克，是當時最大、最重、最復雜的不載人探測器，它攜帶的觀測設備可對波長100 ～400 納米的紫外波段進行觀測。OAO-2 運行了4年時間，直到1973年2月，其間拍攝了約8500 張照片，覆蓋了10%的天區面積，并公布了包括5068 顆天體的紫外星表。圖為發射前OAO-2 在肯尼迪航天中心無塵室里進行測試。

哥白尼天文衛星

1970年11月30日，OAO 計劃的第三顆衛星OAO-B發射升空，它攜帶了一臺口徑為97 厘米的紫外望遠鏡，但是由于整流罩分離故障，火箭沒有達到軌道高度，導致墜毀。

1972年8月21日，OAO 計劃的最后一顆衛星OAO-3成功升空，這顆衛星是OAO 衛星中最成功的一個，它一直工作到1981年2月，拍攝了數百顆恒星的高分辨率光譜和對X 射線的觀測；還發現了幾顆周期長達幾分鐘的脈沖星，為當時的脈沖星理論帶來了新的挑戰。

OAO-3 升空后的第二年——1973年，是哥白尼誕辰500 周年，OAO-3 后來也因此被命名為哥白尼天文衛星。左圖是“哥白尼”近10年間觀測到的目標。右圖是2011年天文愛好者拍攝到的“哥白尼”過境照片。

獵戶座1號

隨著1969年7月美國阿波羅11號載人登月成功，蘇聯開始將載人航天的重點轉移到空間站上。1971年4月19日，人類歷史上第一個空間站“禮炮1號”由質子號運載火箭送入高度為200×222 公里的近地軌道?！岸Y炮1號”質量超過18 噸，長約16 米，最大直徑約4 米，艙體容積超過90 立方米。

“禮炮1號”的中間位置搭載了一臺名為“獵戶座1號”的紫外望遠鏡，口徑280 毫米，配合光柵光譜儀可以獲得200 ～380 納米范圍紫外光譜。1971年6月6日，3 名航天員搭乘聯盟11號飛船成功與“禮炮1號”對接，航天員維克多·帕特薩耶夫用“獵戶座1號”拍攝了織女星和馬腹一的光譜。3 名航天員在空間站停留了23 天，然而不幸的是，在“聯盟11號”返回地球過程中，由于一個壓力平衡閥過早打開，3 名航天員窒息而死。1971年10月11日，“禮炮1號”墜入大氣層燒毀。

獵戶座2號

1973年12月18日，2 名航天員搭乘聯盟13號飛船進入太空，飛船上還搭載了一臺名為“獵戶座2號”的紫外空間望遠鏡（左圖），口徑240毫米，焦距1010毫米?！奥撁?3號”在太空中運行了近8天，“獵戶座2號”拍攝了數千顆暗至13 等恒星的光譜，右圖是其拍攝的行星狀星云IC 2149 的紫外光譜，發現了鋁和鈦的發射線，這些元素在此之前從未在行星狀星云中發現過。12月26日，“聯盟13號”在著陸過程中遭遇暴風雪，但并未對航天員的人身安全造成影響。

遠紫外相機/攝譜儀

遠紫外相機/攝譜儀（UVC）是1972年4月由“阿波羅16號”帶到月球上的一臺紫外觀測設備。UVC 就像一臺小型家用望遠鏡（左圖是UVC的同比例模型），它的口徑只有75 毫米，焦距也是75 毫米，可以拍攝視場為20 度的照片，質量只有22 千克。它的工作波段在遠紫外，光譜觀測波長范圍為30 ～135 納米，成像觀測波長范圍為105 ～155 納米。右圖中在航天員約翰·楊身后可以看到被放置于登月艙影子下的UVC。

荷蘭天文衛星

荷蘭天文衛星（ANS）是由荷蘭和美國合作的一顆紫外及X 射線空間望遠鏡，也是荷蘭的第一顆人造衛星。ANS 于1974年8月30日從美國范登堡空軍基地發射升空，由于一級火箭故障，衛星未能進入預期的500 公里圓軌道，取而代之的是近地點266 公里、遠地點1176 公里、傾角98 度、周期99.2 分鐘的太陽同步軌道。ANS 搭載了一套紫外觀測設備和一套硬X 射線觀測設備，其中紫外望遠鏡為一臺口徑22 厘米的卡塞格林式望遠鏡，工作波長155 ～330 納米；X 射線觀測設備工作能量范圍為1.5 ～30keV。至1976年6月，ANS 正常工作了20 個月時間，對約400 個天體進行了18000 次觀測。圖為ANS 的備用衛星，沒有發射，后被捐給了博物館。

國際紫外探測器

國際紫外探測器（IUE）（左圖）是美國、英國與歐空局合作的一臺主要用于紫外光譜觀測的空間望遠鏡。1978年1月26日，IUE 從卡納維拉爾角發射升空。這是一顆地球同步軌道衛星，軌道高度26000 公里×42000公里、傾角28.6 度、周期23 小時56分。IUE 的主鏡口徑為45 厘米，采用RC 式光路結構。配備的兩臺紫外光譜儀分別工作在115 ～200 納米和185 ～330 納米波段。IUE 設計壽命只有3年，但直到1996年它還可以正常運行，不過由于當時的預算削減，不得不放棄了這顆功勛卓著的衛星。18年間IUE 共觀測了約9300 個天體。右圖是IUE 所有觀測目標的銀道坐標分布圖。