近日，美國國家航空航天局（NASA）公布了一個新的項目，計劃利用氣球?qū)⒁粋€2.5米高的望遠鏡送入平流層，構(gòu)建一個空中天文臺。任務(wù)小組最近完成了該天文臺有效載荷的設(shè)計，包括望遠鏡、科學(xué)儀器以及冷卻和電子系統(tǒng)等。項目工程師將開始對這些子系統(tǒng)進行集成和測試，以驗證它們的性能是否符合預(yù)期。如果一切順利，這個空中天文臺將在2023年底于南極升空。

氣球相較于其他觀測手段有何優(yōu)勢？未來隨著技術(shù)的進步，這種古老的飛行器是否還會繼續(xù)存在于觀測任務(wù)中？帶著這些問題，科技日報記者采訪了華中科技大學(xué)物理學(xué)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(fēng)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，對于天文觀測來說，地球大氣卻是一個障礙。”吳慶文說。首先，由于地球大氣對電磁波的吸收、反射和散射等效應(yīng)，導(dǎo)致宇宙中很多電磁信號不能直接到達地球。少數(shù)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(xué)波段、近紅外波段和射電波段，然而對于遠紅外、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了解宇宙，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(xiàn)閃爍現(xiàn)象，導(dǎo)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(jīng)有200多年的歷史。宇宙射線的發(fā)現(xiàn)就是1912年奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯乘坐氣球進行實驗的結(jié)果。第二次世界大戰(zhàn)以后，質(zhì)量輕、強度高、性能先進的材料讓探空氣球?qū)崿F(xiàn)了大型化，并可以進入高空平流層，極大地促進了大氣科學(xué)、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(xué)實驗等?！眳菓c文說，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、可重復(fù)等特點，所以氣球依舊是很多空間和大氣科學(xué)實驗的理想搭載平臺。正因如此，很多科學(xué)衛(wèi)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(fā)射的“悟空”暗物質(zhì)探測衛(wèi)星和2017年發(fā)射的“慧眼”X射線衛(wèi)星中相關(guān)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(shù)成熟之后才批復(fù)立項。

在過去幾十年中，空間天文學(xué)取得了迅猛發(fā)展，在大部分波段都有了空間望遠鏡。比如光學(xué)波段的哈勃空間望遠鏡、X射線波段的錢德拉衛(wèi)星和牛頓衛(wèi)星、伽馬射線波段的費米衛(wèi)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。

在紅外波段觀測恒星

NASA計劃用氣球?qū)⒁粋€名為ASTHROS的望遠鏡，在2023年左右送入平流層進行數(shù)周的觀測，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，這個高度雖然遠低于一般衛(wèi)星高度，但是已經(jīng)可以避免遠紅外和亞毫米波段的大氣吸收問題了。

吳慶文說，紅外望遠鏡探測儀需要保持非常低的溫度，一般望遠鏡都會用液氦來冷卻探測器。ASTHROS采用了新的方式，它使用太陽能提供的電力來保持超導(dǎo)探測器接近零下268.5攝氏度（接近絕對0度），這個低溫冷卻器的重量比傳統(tǒng)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(shù)周。

“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(xué)波段看不到的低溫天體，因此紅外波段一個重要的觀測目標就是恒星以及恒星形成區(qū)，比如科學(xué)家經(jīng)常利用紅外波段來觀測塵埃密布的銀河系中心區(qū)域?！眳菓c文說。

因此，ASTHROS的主要科學(xué)任務(wù)也集中在恒星物理上，其攜帶的儀器可以用來測量新形成恒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(zhì)量恒星和超新星爆炸產(chǎn)生的星風(fēng)物理，從而了解恒星的反饋過程，即恒星死亡時的猛烈爆發(fā)驅(qū)散了周圍的星際介質(zhì)，這可以阻止恒星的進一步形成。ASTHROS還將觀測長蛇座TW周圍的塵埃和氣體質(zhì)量和分布，這或許可以幫助我們認識恒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恒星物理信息。

吳慶文說，實驗如果成功，科學(xué)家將繼續(xù)發(fā)射衛(wèi)星或采用更大的探測望遠鏡進行進一步的深入研究。