40千米高空，科學家要放個氣球當天文台

近日，美國國家航空航天局（NASA）公佈了一個新的項目，計劃利用氣球將一個2.5米高的望遠鏡送入平流層，構建一個空中天文台。任務小組最近完成了該天文台有效載荷的設計，包括望遠鏡、科學儀器以及冷卻和電子系統等。項目工程師將開始對這些子系統進行集成和測試，以驗證它們的性能是否符合預期。如果一切順利，這個空中天文台將在2023年底於南極升空。

氣球相較於其他觀測手段有何優勢？未來隨着技術的進步，這種古老的飛行器是否還會繼續存在於觀測任務中？帶着這些問題，科技日報記者採訪了華中科技大學物理學院副院長吳慶文教授。

保護地球的大氣也是個障礙

地球表面有一層厚厚的大氣，大氣層有效保護地球表面免受宇宙線、紫外線、太陽風粒子等各種輻射的致命轟擊，大氣是孕育地球生命的必要條件。

“然而，對於天文觀測來説，地球大氣卻是一個障礙。”吳慶文説。首先，由於地球大氣對電磁波的吸收、反射和散射等效應，導致宇宙中很多電磁信號不能直接到達地球。少數波段的電磁波能夠穿透地球大氣，這些波段我們稱之為“大氣窗口”。目前地球上大氣窗口主要大氣包括光學波段、近紅外波段和射電波段，然而對於遠紅外、毫米波、紫外線、X射線和伽馬射線等幾乎是不透明的。

吳慶文表示，每一扇窗口，都能帶給我們豐富的宇宙信息，所以為了更加深入地瞭解宇宙，我們必須越過地球大氣這個障礙。另外，地球大氣的湍流也會讓天體的像出現閃爍現象，導致圖像失真。為了從根本上克服地球大氣層對天文觀測的影響，把望遠鏡放到大氣層之外是非常有必要的。

空間探測主要運載工具包括高空氣球、飛機和火箭等，其中氣球是一種古老的飛行器，已經有200多年的歷史。宇宙射線的發現就是1912年奧地利物理學家維克托·赫斯乘坐氣球進行實驗的結果。第二次世界大戰以後，質量輕、強度高、性能先進的材料讓探空氣球實現了大型化，並可以進入高空平流層，極大地促進了大氣科學、空間天文和宇宙射線等觀測研究。

“高空氣球還可以進行空間載荷試驗、遙感實驗、生命科學實驗等。”吳慶文説，考慮到空間實驗對儀器的成熟度要求比較高，因為任何問題都可能帶來不可估量的損失，而高空氣球探測則具有成本低、見效快、可重複等特點，所以氣球依舊是很多空間和大氣科學實驗的理想搭載平台。正因如此，很多科學衞星搭載的探測儀器都會先在高空氣球上進行實驗驗證。比如我國2015年發射的“悟空”暗物質探測衞星和2017年發射的“慧眼”X射線衞星中相關儀器都在一些氣球飛行實驗中進行了前期驗證和測試，技術成熟之後才批覆立項。

在過去幾十年中，空間天文學取得了迅猛發展，在大部分波段都有了空間望遠鏡。比如光學波段的哈勃空間望遠鏡、X射線波段的錢德拉衞星和牛頓衞星、伽馬射線波段的費米衞星等。這些空間觀測項目極大地拓展了人類的視野以及對宇宙的認識。

在紅外波段觀測恆星

NASA計劃用氣球將一個名為ASTHROS的望遠鏡，在2023年左右送入平流層進行數週的觀測，其主要觀測波段為亞毫米波到遠紅外波段。ASTHROS將是有史以來乘坐高空氣球的最大望遠鏡。該望遠鏡需要上升到40千米的高度，這個高度雖然遠低於一般衞星高度，但是已經可以避免遠紅外和亞毫米波段的大氣吸收問題了。

吳慶文説，紅外望遠鏡探測儀需要保持非常低的温度，一般望遠鏡都會用液氦來冷卻探測器。ASTHROS採用了新的方式，它使用太陽能提供的電力來保持超導探測器接近零下268.5攝氏度（接近絕對0度），這個低温冷卻器的重量比傳統的液氦冷卻儀器輕得多，因此大大減輕了有效載荷的重量，可以在平流層工作數週。

“紅外波段的光可以穿透塵埃的遮蔽，從而可以看到一些光學波段看不到的低温天體，因此紅外波段一個重要的觀測目標就是恆星以及恆星形成區，比如科學家經常利用紅外波段來觀測塵埃密佈的銀河系中心區域。”吳慶文説。

因此，ASTHROS的主要科學任務也集中在恆星物理上，其攜帶的儀器可以用來測量新形成恆星周圍氣體的運動和速度。通過氣體密度、速度和運動的三維信息揭示大質量恆星和超新星爆炸產生的星風物理，從而瞭解恆星的反饋過程，即恆星死亡時的猛烈爆發驅散了周圍的星際介質，這可以阻止恆星的進一步形成。ASTHROS還將觀測長蛇座TW周圍的塵埃和氣體質量和分佈，這或許可以幫助我們認識恆星周圍行星的形成過程，如幫助理解太陽系八大行星的形成機制等。因此，ASTHROS將可以給人類帶來豐富的恆星物理信息。

吳慶文説，實驗如果成功，科學家將繼續發射衞星或採用更大的探測望遠鏡進行進一步的深入研究。