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啥？望遠鏡還能坐氣球上天？是《飛屋環游記》更新了嗎？你怕不是在逗我？

不是逗你啦～真的有這樣一種望遠鏡，它們或是通過飛機搭載，或是通過零壓（或者超壓）氣球來牽引升空，飛行于地球的大氣層中。

其中通過氣球作為載體升空到臨近空間（距地面 20～100 公里）飛行的望遠鏡被稱為臨近空間球載望遠鏡。

上個世紀中葉，普林斯頓大學已經開始利用氣球搭載望遠鏡去觀測宇宙。如今，球載望遠鏡已經應用于太陽物理（如 Stratoscope I / Ⅱ和 SUNRISE Ⅰ / Ⅱ / Ⅲ）、恒星物理（如 BLAST）以及高能物理（如 STO）等。限于篇幅，本文將介紹幾種具有代表性的球載望遠鏡。

世界上第一臺球載天文望遠鏡

Stratoscope I 是第一臺用于天文研究的球載望遠鏡，由普林斯頓大學馬丁 · 史瓦西（Martin Schwarzschild）教授指導和美國海軍研究辦公室贊助，并由珀金埃爾默（Perkin-Elmer Corporation）公司設計和制造的望遠鏡。該項目的目標是獲得具有前所未有的分辨率和細節的太陽米粒組織圖像。

望遠鏡鏡筒有八英尺長，在鏡筒的另一端是一個平面鏡和一個棱鏡，它們將拋物面鏡收集的光反射到一個 35 毫米的電影攝影機。35 毫米膠片的每一幀視場都是太陽表面約 50,000×35,000 英里的矩形區域。攝影機曝光以每秒一次的頻率進行，每次持續 1 毫秒。

在飛行中，儀器的頂部連接著一個降落傘，而降落傘的頂部又連接到氣球的底部（如圖 3b）。相機中的膠卷用完后，預設計時器會將望遠鏡垂直收起在框架內，并將降落傘從氣球上切下。

框架除了用作支架外，還可以在望遠鏡接觸地面時保護望遠鏡：底部的防撞墊可減緩著陸時的沖擊力，而頂部的飛輪則在框架側翻時保護望遠鏡。

由于 Stratoscope I 從地面升起到平流層的過程中，溫差變化巨大，為了最大限度地減少變形，望遠鏡的鏡筒上有數千個小孔，可以消散集中在鏡筒內的熱量。

圖 1 Stratoscope I。

圖源：STRATOSPHERIC BALLOONS

1957 年 8 月 22 日清晨六時二十分，Stratoscope I 進行了第一次飛行，此次飛行沒有架上真正的望遠鏡，而是一個攜帶測試相機的虛擬望遠鏡，用于評估系統的指向精度。此次任務相當成功，球載望遠鏡的導向機構足夠穩定，并且可以拍攝到太陽米粒組織。同年 9 月和 10 月又完成了兩次飛行。

圖 2 Stratoscope I 拍攝到的太陽米粒組織。

圖源：1959 SCIENTIFIC AMERICAN, INC

圖 3 Stratoscope I 第二次飛行。a. 飛行前球載望遠鏡的完整結構，包括氣球、望遠鏡和降落傘等；b. 上升中的 Stratoscope I；c. 著陸后的 Stratoscope I，鏡頭前方是望遠鏡框架的底部防撞墊。

圖源：STRATOSPHERIC BALLOONS/ 1959 SCIENTIFIC AMERICAN, INC

哈勃望遠鏡的先輩

由于 Stratoscope Ⅰ的成功，普林斯頓大學將此球載望遠鏡進行了升級，并命名為 Stratoscope Ⅱ。1963 年 3 月 1 日傍晚，這架被視為哈勃太空望遠鏡的前身的 StratoscopeII 騰空而起，隨風而去。

Stratoscope Ⅱ可以說是有史以來最復雜的氣球載望遠鏡系統之一。它的目標是拍攝行星和恒星星云。該項目同樣由普林斯頓大學指導，由美國國家科學基金會 ( NSF ) 、海軍研究辦公室 ( ONR ) 贊助，并得到美國國家航空航天局 ( NASA ) 的支持。

圖 4 StratoscopeII 首次發射的紀念明信片，上面的字樣可見 StratoscopeII 的第一項科學任務是去觀測火星（的紅外光譜）。

圖源：STRATOSPHERIC BALLOONS

這臺望遠鏡是一個由主筒和側臂組成固定的 L 形結構。望遠鏡和一個 10º 視場的電視攝像機一起安裝在主筒中，用于定位要研究的天空的大致區域。側臂組件裝有導星部件、攝像設備和另一臺電視攝像機，該攝像機具有 1º 視野，用于拍攝特定的天體。

L 形結構部件由 " 關節 " 支撐，關節包含驅動器和軸，可以控制望遠鏡在天空中的指向。另外 L 型結構和 " 關節 " 由上方的方位角軸承支撐，允許望遠鏡可以繞垂直軸 360 度轉動。圖 5 中最上方的是一個慣性環。該環為儀器供電并最終用于吸收著陸時的部分沖擊。

圖 5 馬丁 · 史瓦西教授與 StratoscopeII 合影

圖源：STRATOSPHERIC BALLOONS

二十一世紀的球載望遠鏡

進入二十一世紀，球載望遠鏡不斷升級，承擔的任務也越來越多。

1.BLAST

宇宙中天體發出的亞毫米波信號在穿過大氣層時，會在很多頻率上發生嚴重衰減。因此，2003-2006 年期間，來自賓夕法尼亞大學的研究團隊設計研制了 BLAST 球載大口徑亞毫米波望遠鏡（圖 6），將其升至大氣稀薄的高空進行天文觀測。

BLAST 球載望遠鏡項目分為第一代 BLAST-Pol（取名自 Polarimeter 偏振計）和第二代 BLAST-TNG（The Next Generation）兩個不同型號，近年來開展了多次飛行試驗。其中第二代氣球 BLAST-TNG 自重約 1800kg，有一個鋁制框架作為氣球吊艙，支撐著口徑達到 2.5m 的主鏡和其他觀測設備。

氣球在地面上充氣后，升至海拔 38km 左右的高度進行穩定觀測，在這一高度的大氣壓力很低，氣球體積在此處相較于在地面上膨脹了 200 倍左右。

設備升級后，它的測繪速度至少是前一代 BLAST-Pol 的 10 倍，分辨率大約是其 6 倍。這一項目的目標是觀測銀河系中的恒星形成區，得到磁場分布，從而研究星際介質密度分布，了解磁場對恒星誕生的影響。

圖 6 BLAST。

圖源：《氣球望遠鏡助天文學家研究新生恒星的搖籃》

BLAST 項目觀測獲得了大量有價值的科學數據，幫助人類突破了認知的極限。然而該項目的進程也遭遇了不少波折與難題：初代 BLAST 曾經在南極洲上空盤旋 11 天后，著陸時與降落傘分離失敗，被降落傘拖曳著在南極洲的冰面上拖行了大約 200 公里，部分結構損壞、脫離散落，最終無法恢復。萬幸的是，壓力容器里放置的實驗硬件將寶貴的觀測數據安全保存了下來。

2.STO

平流層太赫茲天文臺（STO）是一臺由高空氣球搭載的紅外望遠鏡（圖 7），它是由亞利桑那大學領導的一項國際合作項目——噴氣推進研究所（JPL）、荷蘭空間研究所（SRON）和代爾夫特理工大學提供了硬件設備，哈佛 - 史密松森天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的科學家們負責了 STO-1 和 STO-2 任務的科學觀察和分析，世界各地的許多機構也參與其中。

圖 7 STO 球載望遠鏡的試飛實拍。

圖源：http://soral.as.arizona.edu/STO/Test_Flight.html

STO 任務是一個長時間氣球實驗，第一代 STO 于 2012 年在南極洲上空 40 公里處懸浮飛行了 14 天；2016 年第二代氣球 STO-2 在南極上空飛行觀測了三周。該任務旨在解決現代天體物理學中的一個關鍵問題：理解星際介質（ISM）的演化周期。STO 以 1 弧分的角分辨率測量銀河系平面上一部分天區的主要星際冷卻線 [ C II ] （158μm）和重要的恒星形成示蹤劑 [ N II ] （205μm）。

STO 任務官方發布的四大科學目標：

1. 確定銀河系星際氣體的演化周期；

2. 研究星系中恒星形成云的產生和破壞機制；

3. 確定星系中恒星形成速率的影響因素；

4. 建立其他星系的恒星形成和恒星 / 星際反饋的模型。

圖 8 STO-2 測量到的 [ CII ] 158μm 積分強度值 ( 紅色等值線 ) 疊加在 Hubble Hα、Spitzer 8μm 、Herschel 160μm, 和 Herschel 500 μm 連續譜圖像上。等值線強度值分別是 100,150,200,250,300 和 350，橫坐標是銀道坐標系的赤經，縱坐標是銀道坐標系的赤緯。

圖源：The Astrophysical Journal

我國的球載望遠鏡

早在 1977 年 7 月，中國科學院高能物理所宇宙線室的高能天體物理組就提出了發展我國高空科學觀測氣球的建議，并在隨后的時間里對氣球球膜、70～500 米氣球進行了試制。上海天文臺于 1982 年 9 月在香河氣球發射站進行高空科學氣球天文觀測試驗，測得了太陽在 4.6μm 和 18μm 波長的紅外輻射。

1984 至 1987 年間，在中國科學院高能物理所和中國科學院大氣物理所的協同配合下進行了五次飛行試驗來收集高空宇宙塵，科學家成功收集到了來自高空的宇宙塵并對樣品進行了電子探針分析。這些科學試驗也對我國未來球載望遠鏡觀測起到了深遠的影響。

圖 9 我國科學家繪制的氣球飛行器示意圖

圖源：我國的高空科學氣球與高能天文觀測 [ J ] . 自然雜志 ,1984

1979 年，" 中國科學院高空氣球第一期工程 " 啟動，經過各單位在數年間的協同合作，我國已多次成功發放 500～30000 立方米的氣球。1980 年后，中國科學院的科學家們成功開展了高空氣球上對 γ 射線背景、太陽遠紅外輻射和脈沖中子星硬 X 射線的觀測實驗。

從上世紀末開始，我國大力發展了長征系列運載火箭，臨近空間球載望遠鏡觀測從那時起逐步減少，但是未來中國仍將繼續探索臨近空間探測的技術和理念。

最后聊聊氣球吧

高空氣球與飛艇一并被稱為世界上用處最廣泛的兩大類浮空器。而各國一直在積極推進對浮空器搭載設備進行天文觀測、氣象觀測等的科學實驗，收獲頗豐。

作為球載望遠鏡的飛行動力，高空氣球有著價格低廉，技術成熟和研發時間短等優點。二十世紀至今，零壓氣球被用作大部分的球載望遠鏡的飛行載體。所謂零壓氣球，就是先給氣球充氣，氣球中帶有排氣管。因為地面與大氣層有壓強差的原因，氣球到達平流層會膨脹，然后排氣管排放出一部分氣體使得氣球內外壓強保持平衡，氣球能保持一定的飛行高度。

除了零壓氣球，中國科學院在超壓氣球方面同樣做了相關探索性的科學工作，如中科院光電所研制的超壓氣球于 2017 年 9 月在內蒙古成功首飛。超壓氣球是封閉式氣球，沒有排氣管，上升到一定高度時內部壓力升高，氣球內部浮升，氣體密度加大，然后實現重力和浮力的平衡。

圖 10 零壓氣球和超壓氣球工作狀態對比。

圖源：祝榕辰 , 王生 . 超壓氣球研究與發展現狀

隨著太陽系各行星和衛星不斷被人類探索，一些用于深空探測的氣球探測器也逐漸開始研發，相變氣球、熱氣球等不同類型的氣球同樣也被考慮進來。表 1 總結了適合氣球探測的太陽系星體以及它們的大氣特性。

圖源：吳耀 , 姚偉 , 王超 , 呂曉辰 , 馬蓉 . 氣球型深空探測器技術研究進展

結語

如今，飛機與火箭已將我們的觀測設備運送至前所未及的高度，而人們依然沒有放棄利用球載望遠鏡去眺望來自宇宙深處的輝光。在未來，也許它的身影會逐漸淡去，但作為承載著人類飛上藍天，探索世界夢想的使者，球載望遠鏡是人類在天文科學觀測史上邁出的輝煌一步，也是這個藍色星球上的文明用自己微薄力量，努力朝著周圍星際空間探出的驚鴻一瞥。