圖解空間望遠鏡發展史

文/ 葉楠

宇宙線空間探測器/引力波空間探測器

宇宙線的發現

1912 年8 月7 日，美籍奧地利裔物理學家維克多·赫斯（圖正中）乘坐一臺熱氣球，帶著3 臺靜電計飛到了5300 米高空。在熱氣球不斷上升的過程中，他發現隨著高度的增加，靜電計的讀數也在不斷上升，這與之前普遍認為的地球是主要的輻射源，地表輻射應該多于高空的觀點正好相反。1913～1914 年，科爾霍斯證實了赫斯的發現。這種隨著海拔升高而增加的射線被稱為“宇宙射線”，簡稱“宇宙線”。赫斯也因此獲得了1936 年諾貝爾物理學獎。但是宇宙線的名字其實并不恰當，因為宇宙線并不是一種電磁輻射，而是來自于宇宙之中的高能粒子。

初級和次級宇宙線

宇宙線是來自于外太空的高能亞原子粒子，這些粒子稱為初級宇宙線。初級宇宙線中約90%是質子、約9%是氦原子核、約1%是電子。當初級宇宙線進入地球大氣層，與大氣中的原子核發生碰撞時會產生大量的次級粒子，被稱為次級宇宙線。次級宇宙線主要包括μ 介子、質子、反質子、阿爾法粒子、電子、正電子、中子等。地面探測只能接收到次級宇宙線，圖為位于我國四川省稻城縣的高海拔宇宙線觀測站，配備有電磁粒子探測器陣列、μ介子探測器陣列、水切倫科夫探測器陣列和廣角切倫科夫望遠鏡陣列等探測設備。若想對初級宇宙線進行探測，還需要將探測器置于太空之中。

早期對于宇宙線的探測和電磁輻射中的γ 射線探測是同步開始的，直到20 世紀90 年代，才有了對宇宙線的專項探測研究。

太陽異常性/磁層粒子探索者

太陽異常性/磁層粒子探索者（SAMPEX）是美國宇航局小型探測器項目中的第一個航天器，衛星長1.5 米、寬0.9 米，總質量只有157 千克。1992 年7 月3 日，SAMPEX 從范登堡空軍基地由偵察兵G-1 運載火箭送入512 千米×687 千米、周期96.7 分鐘、傾角81.7 度的軌道。SAMPEX 共攜帶有4 套科學儀器，用于探測來自太陽的高能粒子以及被認為是在太陽終端激波中加速的“異常”宇宙線。SAMPEX 執行科學任務運行至1997 年，之后主要用于教育及科普領域至2012 年11 月。

阿爾法磁譜儀01

阿爾法磁譜儀01（AMS-01）最早由物理學家丁肇中提出。AMS-01 只是一個簡化版本用于前期的先導試驗，后續還有AMS-02。左圖是1997 年4 月運抵肯尼迪航天中心正在安裝的AMS-01。AMS-01 的主體是由6000 個汝鐵硼磁鐵組成的圓柱形永磁體，它是第一個運行在太空中的大型磁譜儀。1998 年6 月2 日至12 日，發現號航天飛機執行STS-91 任務，這也是航天飛機最后一次飛向和平號空間站。右圖是從和平號空間站拍攝的發現號航天飛機，AMS-01 被放置于靠近尾部防火墻位置。在為期10 天的任務中，AMS-01 收集到近8000 萬次高能粒子觸發事件，證明空間粒子探測器的想法是可行的。

PAMELA 實驗

PAMELA實驗的全稱是反物質探測和輕核天體物理學實驗，是附加在俄羅斯資源DK1 號衛星上的宇宙線探測模塊（左圖）。資源DK1 號衛星于2006 年6 月15 日由聯盟號火箭從拜科努爾發射場送入太空，軌道高度350 千米×610 千米、傾角70 度。PAMELA 實驗模塊高1.3 米、重470 千克，由俄羅斯、意大利、德國和瑞典合作開發。右圖是正在組裝中的資源DK1 號衛星與PAMELA實驗模塊。直至2016年2月資源DK1號衛星停止工作，整個任務持續了近10 年時間。

星際邊界探測者

星際邊界探測者（IBEX）（左圖）是美國宇航局小型探測器項目的一顆衛星，于2008年10月19日由飛馬座XL火箭發射升空。2011 年6 月經過一次軌道轉移后穩定在8.6 萬千米×26 萬千米的橢圓軌道上，在這個高度，可以遠離地球磁層的干擾。IBEX 的主要科學任務是研究太陽風與太陽系邊緣星際介質的相互作用。右圖是基于IBEX 數據得到的日球層圖像，可以看出明顯的高能中性原子（ENAs）帶。同時，它還測量得到太陽系相對星際介質的速度為每秒23.2 千米，低于之前尤利西斯號太陽探測器的數據。

暗物質粒子探測器

暗物質粒子探測器（DAMPE）也稱為“悟空號”，是中科院于2015 年12 月17 日發射的一顆衛星，由長征二號丁火箭從酒泉衛星發射中心發射升空。“悟空號”的主要工作是探測由暗物質粒子碰撞后產生的γ 射線、正負電子、宇宙線粒子等。配備的科學儀器有閃爍陣列探測器、硅陣列探測器、電磁量能器及中子探測器等，是迄今為止觀測能量范圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子空間探測器。

2017 年11 月30 日，國際權威學術期刊《自然》在線發表，“悟空號”有充分數據證實，在太空中測量到了電子宇宙射線的一處異常波動，這一波動此前從未被觀測到，意味著中國科學家取得一項開創性發現，且有可能與暗物質相關。

阿爾法磁譜儀02

阿爾法磁譜儀02（AMS-02）被稱為“迄今為止送入太空的最復雜的粒子探測器”，整個任務涉及16 個國家56 個機構的500 多名科學家。AMS-02 重達7.5 噸，功率達2500 瓦，它被安置在國際空間站上（上圖），由空間站為其提供所需的電力。2011 年5 月16 日，奮進號航天飛機將AMS-02 送上太空，這也是“奮進號”的最后一次飛行。2019年底至2020 年初，航天員進行了四次太空行走，對AMS-02 進行了升級維護。下圖是2019 年12 月2 日航天員盧卡·帕米塔諾為AMS-02 更換新的熱力泵系統。迄今為止，AMS-02 還在空間站上正常運行著，為研究反物質、暗物質、奇異物質與空間輻射環境提供重要的觀測數據。

引力波

引力波是加速的質量在時空中產生的漣漪。重力是時空曲率的表現形式，質量的變化可以導致時空曲率的變化，這種變化以波的形式向外傳播，速度等于光速，這種現象被稱為引力波。由于引力波基本不與物質產生相互作用，對它的探測持續了半個多世紀，直到2015年激光干涉引力波觀測臺發現引力波信號GW150914：這是一次雙黑洞并合事件，2 個質量分別是36 倍和29倍太陽質量的黑洞，并合為一個質量為62 倍太陽質量的黑洞，而減少的3 倍太陽質量（能量）以引力波的形式釋放出去。至此，人類才首次證實了引力波的存在，這一發現也讓3 位美國物理學家獲得了2017 年的諾貝爾物理學獎。圖為黑洞并合藝術想象圖。

激光干涉引力波天文臺

激光干涉引力波天文臺（LIGO）是2 臺分別位于華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的天文臺。與一般的望遠鏡完全不一樣，LIGO 使用的是激光干涉的方法探測引力波，而引力波的強度相當于1 千米長的鐵軌上產生10-19米的變化。每個天文臺最大的特征是垂直方向上兩條各長4 千米的干涉臂。利用類似邁克爾遜干涉儀的原理，如果某個方向上發生引力波事件，則會引起這個方向上的時空擾動，激光干涉條紋也會產生有規律的變化。干涉臂的長度越長，這種干涉現象就會越明顯。但是受限于地球本身大小的限制，以及地質運動會使得干涉臂本身的空間尺度不穩定。所以，為什么不將引力波天文臺置于太空之中呢？

激光干涉引力波觀測臺

激光干涉引力波觀測臺（LISA）是歐空局和美國宇航局合作的引力波探測項目，計劃于2034 年投入運行。左圖為LISA 構想圖，它由3 個相同的航天器構成一個邊長250 萬千米的等邊三角形，這個基線長度是LIGO 的62.5 萬倍，將大大提高觀測靈敏度。為了實現這一構想，2015 年12 月3 日，歐空局發射了一顆名為“LISA 探路者號”的探測器（右圖），為LISA 任務所需的技術進行試驗性研究。在“LISA 探路者號”上，通過光學干涉技術精確測量了兩個相距38 厘米（模擬LISA 一條基線）的兩個物體的相對運動，整個任務持續了16 個月時間，試驗結果表明空間激光干涉技術是可行的。（全文完）