哈勃望远镜的先辈们，玩起了飞屋环游记

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啥？望远镜还能坐气球上天？是《飞屋环游记》更新了吗？你怕不是在逗我？

不是逗你啦～真的有这样一种望远镜，它们或是通过飞机搭载，或是通过零压（或者超压）气球来牵引升空，飞行于地球的大气层中。

其中通过气球作为载体升空到临近空间（距地面 20～100 公里）飞行的望远镜被称为临近空间球载望远镜。

上个世纪中叶，普林斯顿大学已经开始利用气球搭载望远镜去观测宇宙。如今，球载望远镜已经应用于太阳物理（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，本文将介绍几种具有代表性的球载望远镜。

世界上第一台球载天文望远镜

Stratoscope I 是第一台用于天文研究的球载望远镜，由普林斯顿大学马丁 · 史瓦西（Martin Schwarzschild）教授指导和美国海军研究办公室赞助，并由珀金埃尔默（Perkin-Elmer Corporation）公司设计和制造的望远镜。该项目的目标是获得具有前所未有的分辨率和细节的太阳米粒组织图像。

望远镜镜筒有八英尺长，在镜筒的另一端是一个平面镜和一个棱镜，它们将抛物面镜收集的光反射到一个 35 毫米的电影摄影机。35 毫米胶片的每一帧视场都是太阳表面约 50,000×35,000 英里的矩形区域。摄影机曝光以每秒一次的频率进行，每次持续 1 毫秒。

在飞行中，仪器的顶部连接着一个降落伞，而降落伞的顶部又连接到气球的底部（如图 3b）。相机中的胶卷用完后，预设计时器会将望远镜垂直收起在框架内，并将降落伞从气球上切下。

框架除了用作支架外，还可以在望远镜接触地面时保护望远镜：底部的防撞垫可减缓着陆时的冲击力，而顶部的飞轮则在框架侧翻时保护望远镜。

由于 Stratoscope I 从地面升起到平流层的过程中，温差变化巨大，为了最大限度地减少变形，望远镜的镜筒上有数千个小孔，可以消散集中在镜筒内的热量。

图 1 Stratoscope I。

图源：STRATOSPHERIC BALLOONS

1957 年 8 月 22 日清晨六时二十分，Stratoscope I 进行了第一次飞行，此次飞行没有架上真正的望远镜，而是一个携带测试相机的虚拟望远镜，用于评估系统的指向精度。此次任务相当成功，球载望远镜的导向机构足够稳定，并且可以拍摄到太阳米粒组织。同年 9 月和 10 月又完成了两次飞行。

图 2 Stratoscope I 拍摄到的太阳米粒组织。

图源：1959 SCIENTIFIC AMERICAN, INC

图 3 Stratoscope I 第二次飞行。a. 飞行前球载望远镜的完整结构，包括气球、望远镜和降落伞等；b. 上升中的 Stratoscope I；c. 着陆后的 Stratoscope I，镜头前方是望远镜框架的底部防撞垫。

图源：STRATOSPHERIC BALLOONS/ 1959 SCIENTIFIC AMERICAN, INC

哈勃望远镜的先辈

由于 Stratoscope Ⅰ的成功，普林斯顿大学将此球载望远镜进行了升级，并命名为 Stratoscope Ⅱ。1963 年 3 月 1 日傍晚，这架被视为哈勃太空望远镜的前身的 StratoscopeII 腾空而起，随风而去。

Stratoscope Ⅱ可以说是有史以来最复杂的气球载望远镜系统之一。它的目标是拍摄行星和恒星星云。该项目同样由普林斯顿大学指导，由美国国家科学基金会 ( NSF ) 、海军研究办公室 ( ONR ) 赞助，并得到美国国家航空航天局 ( NASA ) 的支持。

图 4 StratoscopeII 首次发射的纪念明信片，上面的字样可见 StratoscopeII 的第一项科学任务是去观测火星（的红外光谱）。

图源：STRATOSPHERIC BALLOONS

这台望远镜是一个由主筒和侧臂组成固定的 L 形结构。望远镜和一个 10º 视场的电视摄像机一起安装在主筒中，用于定位要研究的天空的大致区域。侧臂组件装有导星部件、摄像设备和另一台电视摄像机，该摄像机具有 1º 视野，用于拍摄特定的天体。

L 形结构部件由 " 关节 " 支撑，关节包含驱动器和轴，可以控制望远镜在天空中的指向。另外 L 型结构和 " 关节 " 由上方的方位角轴承支撑，允许望远镜可以绕垂直轴 360 度转动。图 5 中最上方的是一个惯性环。该环为仪器供电并最终用于吸收着陆时的部分冲击。

图 5 马丁 · 史瓦西教授与 StratoscopeII 合影

图源：STRATOSPHERIC BALLOONS

二十一世纪的球载望远镜

进入二十一世纪，球载望远镜不断升级，承担的任务也越来越多。

1.BLAST

宇宙中天体发出的亚毫米波信号在穿过大气层时，会在很多频率上发生严重衰减。因此，2003-2006 年期间，来自宾夕法尼亚大学的研究团队设计研制了 BLAST 球载大口径亚毫米波望远镜（图 6），将其升至大气稀薄的高空进行天文观测。

BLAST 球载望远镜项目分为第一代 BLAST-Pol（取名自 Polarimeter 偏振计）和第二代 BLAST-TNG（The Next Generation）两个不同型号，近年来开展了多次飞行试验。其中第二代气球 BLAST-TNG 自重约 1800kg，有一个铝制框架作为气球吊舱，支撑着口径达到 2.5m 的主镜和其他观测设备。

气球在地面上充气后，升至海拔 38km 左右的高度进行稳定观测，在这一高度的大气压力很低，气球体积在此处相较于在地面上膨胀了 200 倍左右。

设备升级后，它的测绘速度至少是前一代 BLAST-Pol 的 10 倍，分辨率大约是其 6 倍。这一项目的目标是观测银河系中的恒星形成区，得到磁场分布，从而研究星际介质密度分布，了解磁场对恒星诞生的影响。

图 6 BLAST。

图源：《气球望远镜助天文学家研究新生恒星的摇篮》

BLAST 项目观测获得了大量有价值的科学数据，帮助人类突破了认知的极限。然而该项目的进程也遭遇了不少波折与难题：初代 BLAST 曾经在南极洲上空盘旋 11 天后，着陆时与降落伞分离失败，被降落伞拖曳着在南极洲的冰面上拖行了大约 200 公里，部分结构损坏、脱离散落，最终无法恢复。万幸的是，压力容器里放置的实验硬件将宝贵的观测数据安全保存了下来。

2.STO

平流层太赫兹天文台（STO）是一台由高空气球搭载的红外望远镜（图 7），它是由亚利桑那大学领导的一项国际合作项目——喷气推进研究所（JPL）、荷兰空间研究所（SRON）和代尔夫特理工大学提供了硬件设备，哈佛 - 史密松森天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的科学家们负责了 STO-1 和 STO-2 任务的科学观察和分析，世界各地的许多机构也参与其中。

图 7 STO 球载望远镜的试飞实拍。

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

STO 任务是一个长时间气球实验，第一代 STO 于 2012 年在南极洲上空 40 公里处悬浮飞行了 14 天；2016 年第二代气球 STO-2 在南极上空飞行观测了三周。该任务旨在解决现代天体物理学中的一个关键问题：理解星际介质（ISM）的演化周期。STO 以 1 弧分的角分辨率测量银河系平面上一部分天区的主要星际冷却线 [ C II ] （158μm）和重要的恒星形成示踪剂 [ N II ] （205μm）。

STO 任务官方发布的四大科学目标：

1. 确定银河系星际气体的演化周期；

2. 研究星系中恒星形成云的产生和破坏机制；

3. 确定星系中恒星形成速率的影响因素；

4. 建立其他星系的恒星形成和恒星 / 星际反馈的模型。

图 8 STO-2 测量到的 [ CII ] 158μm 积分强度值 ( 红色等值线 ) 叠加在 Hubble Hα、Spitzer 8μm 、Herschel 160μm, 和 Herschel 500 μm 连续谱图像上。等值线强度值分别是 100,150,200,250,300 和 350，横坐标是银道坐标系的赤经，纵坐标是银道坐标系的赤纬。

图源：The Astrophysical Journal

我国的球载望远镜

早在 1977 年 7 月，中国科学院高能物理所宇宙线室的高能天体物理组就提出了发展我国高空科学观测气球的建议，并在随后的时间里对气球球膜、70～500 米气球进行了试制。上海天文台于 1982 年 9 月在香河气球发射站进行高空科学气球天文观测试验，测得了太阳在 4.6μm 和 18μm 波长的红外辐射。

1984 至 1987 年间，在中国科学院高能物理所和中国科学院大气物理所的协同配合下进行了五次飞行试验来收集高空宇宙尘，科学家成功收集到了来自高空的宇宙尘并对样品进行了电子探针分析。这些科学试验也对我国未来球载望远镜观测起到了深远的影响。

图 9 我国科学家绘制的气球飞行器示意图

图源：我国的高空科学气球与高能天文观测 [ J ] . 自然杂志 ,1984

1979 年，" 中国科学院高空气球第一期工程 " 启动，经过各单位在数年间的协同合作，我国已多次成功发放 500～30000 立方米的气球。1980 年后，中国科学院的科学家们成功开展了高空气球上对 γ 射线背景、太阳远红外辐射和脉冲中子星硬 X 射线的观测实验。

从上世纪末开始，我国大力发展了长征系列运载火箭，临近空间球载望远镜观测从那时起逐步减少，但是未来中国仍将继续探索临近空间探测的技术和理念。

最后聊聊气球吧

高空气球与飞艇一并被称为世界上用处最广泛的两大类浮空器。而各国一直在积极推进对浮空器搭载设备进行天文观测、气象观测等的科学实验，收获颇丰。

作为球载望远镜的飞行动力，高空气球有着价格低廉，技术成熟和研发时间短等优点。二十世纪至今，零压气球被用作大部分的球载望远镜的飞行载体。所谓零压气球，就是先给气球充气，气球中带有排气管。因为地面与大气层有压强差的原因，气球到达平流层会膨胀，然后排气管排放出一部分气体使得气球内外压强保持平衡，气球能保持一定的飞行高度。

除了零压气球，中国科学院在超压气球方面同样做了相关探索性的科学工作，如中科院光电所研制的超压气球于 2017 年 9 月在内蒙古成功首飞。超压气球是封闭式气球，没有排气管，上升到一定高度时内部压力升高，气球内部浮升，气体密度加大，然后实现重力和浮力的平衡。

图 10 零压气球和超压气球工作状态对比。

图源：祝榕辰 , 王生 . 超压气球研究与发展现状

随着太阳系各行星和卫星不断被人类探索，一些用于深空探测的气球探测器也逐渐开始研发，相变气球、热气球等不同类型的气球同样也被考虑进来。表 1 总结了适合气球探测的太阳系星体以及它们的大气特性。

图源：吴耀 , 姚伟 , 王超 , 吕晓辰 , 马蓉 . 气球型深空探测器技术研究进展

结语

如今，飞机与火箭已将我们的观测设备运送至前所未及的高度，而人们依然没有放弃利用球载望远镜去眺望来自宇宙深处的辉光。在未来，也许它的身影会逐渐淡去，但作为承载着人类飞上蓝天，探索世界梦想的使者，球载望远镜是人类在天文科学观测史上迈出的辉煌一步，也是这个蓝色星球上的文明用自己微薄力量，努力朝着周围星际空间探出的惊鸿一瞥。