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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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望远镜家族的另类成员——全波天文观测仪器

2013-09-25 20:49:06

望远镜家族的另类成员——全波天文观测仪器

北辰

古时,人们夜观星空,占卜算卦,预测未来。不过在长期观测星空的过程中,他们发现,星星的位置关系竟然可以准确地告诉我们时间,而最早的天文学就是为了准确报告时间而诞生的。

现在的天文学家依旧观测星空,不过早已不是为了预报时间,而是为了科学地了解物理规律。我们知道,遥远的星光仅仅是电磁波的一部分,从那遥远天体发出来的除了可见光,还有电磁波的其他部分,比如红外线、紫外线、X 射线和伽马射线等,这些成分同样包含着星星的信息,不过我们的肉眼并不能识别它们的存在。为了能够在电磁波的所有波段进行天文观测,人们进行了艰苦的努力,从事相应的发明创造,终于开发出适用的仪器设备。

当今的天文学,从观测手段上来说,被称为全波天文学。这些在其他波段观测天象的仪器是望远镜家族的另类成员。这些另类成员也肩负着测天的使命,而且跟光学望远镜一样,有的也飞上了太空,突破大气层的干扰,用另一只眼睛观察宇宙。

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名词解释

绝对零度:热力学的最低温度,但却是仅存于理论的下限值。热力学温标的单位是开尔文(K),绝对零度就是开尔文温度标定义的零点。0K约等于零下273.15℃。

伽马射线爆发:伽马射线爆发是宇宙中最强烈的爆炸现象之一,强度仅次于导致宇宙诞生的“大爆炸”。与伽马射线爆发相伴的通常有持续几天或几周的发光的“余辉”,它是探测伽马射线爆发的主要依据。

相对论性喷流:来自某些活动星系、射电星系或类星体中心的强度非常强的等离子体喷流。这种喷流的长度可达几千甚至数十万光年。

暗能量:一种不可见的、能推动宇宙运动的能量,宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来推动的。根据“普朗克”探测器收集的数据,科学家对宇宙的组成部分有了新的认识,暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量,在宇宙中约占少于70%的份额。

 

红外线——斯皮策望远镜

任何物质,只要温度不低于绝对零度,就会发出红外线,天体亦是如此。20 世纪80 年代中期,红外天文观测开始发展起来。1983 年,多国联合发射了一颗红外天文卫星,这颗卫星工作了10 个月,获取了许多重要信息。现在有些大型太空光学望远镜,也兼具红外观天的能力。2007 年,加那利大型天文望远镜开始投入使用,它耗资1.04 亿欧元,坐落在西班牙加那利群岛的帕尔马岛上,全部完工后将成为地球上最大的红外天文望远镜。虽然这种大型地面红外望远镜造价相对较低,安装也十分便利,但它还有很多不足之处。

地球的大气层对红外线有吸收作用,如果把红外望远镜放置在外太空,就会收到很好的效果。所以,红外天文望远镜最突出的代表还是太空望远镜,除了正在服役的广域红外探测器,还有斯皮策望远镜。

斯皮策望远镜属美国所有,在2003 年发射升空。它的主镜口径为85 厘米,携带有红外阵列相机,可以在红外线的4 个波段工作。同时,它还配备有4 个模块组合而成的红外色谱仪,多波段成像光度计以及3 个探测器阵列。

斯皮策红外望远镜并不在地球轨道上空运行,而是处在地球轨道的后方,环绕太阳的轨道上,所以它应该算是地球的“兄弟”,属于行星级别。它在那里的位置并不稳定,每年会以0.1 个天文单位的速度逐渐远离地球,一旦它出现故障,我们是无法使用航天飞机对它进行维修的。

作为一台仪器,它本身会发出热量,也会产生红外线而对观测目标造成干扰。为此,人们给它配备了一套制冷设备,这套设备能将镜片的温度保持在5.5 开氏度左右。此外,它还有一个防护罩,以此来遮挡太阳和地球发出的红外光。

从光学原理上来说,斯皮策红外望远镜是卡塞格林望远镜,这跟光学望远镜的原理一样。在红外波段观测,它可以弥补光学望远镜的很多不足。太阳系以外的行星发出的光与恒星有着明显不同,因为它们自身不发光,而是反射恒星的光,因而光的温度很低。斯皮策红外望远镜可以在红外线观测中发现这些行星,并研究它们是如何诞生的。另外,河外星系和宇宙边缘的很多天体由于距离遥远,可见光较弱,但是红外辐射却很强,它们也是斯皮策红外望远镜研究的重点。

一般情况下,红外望远镜所携带的制冷剂会消耗殆尽,到那时候它也就停止工作了。然而,在2009 5 15 日耗尽低温致冷剂之后,斯皮策望远镜的红外阵列照相机仍在正常工作。直到2012 年年底,它依然在观测着深邃的宇宙。

 

紫外线——星系演化探测器

当我们在户外活动时,常会被提醒小心紫外线的辐射,以防它对皮肤造成伤害。紫外线的波段在可见光和X 射线之间,包含着较多的能量。按照波长的不同,紫外线可分为短波紫外线、中波紫外线和长波紫外线。虽然我们可以使用高空气球或者飞机对紫外线进行观测,但是大多数情况下,都需要使用太空观测设备。

2003 年,美国宇航局发射了星系演化探测器,它其实是一架紫外线望远镜。作为望远镜,它的焦距是3 米,直径0.5 米、重280 千克,能够探测波长在135~280nm 的紫外线。

星系演化探测器拥有锐利的“紫外视力”,能够对夜空中的大部分区域进行观测。天体的紫外线光谱可用来了解星际介质的化学成分、密度、温度,以及高温年轻恒星的温度与组成成分,处于演化阶段早期或晚期的恒星,往往会发出很强的紫外线。

紫外线观测还可以告诉我们星系演化的历程,它的主要科学任务是研究宇宙大爆炸初期的氘合成,以及宇宙化学元素的合成。

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星系演化探测器

星系演化探测器在紫外波段拍摄了上亿个星系,它还发现了不少新生的星系。不久前,就是它看到了一个大型黑洞正在吞噬一颗恒星发出的紫外线的过程。2012 年,它还看到了一颗超新星爆发产生的束状气体,那些束状气体和尘埃被超级星的冲击波加热,可以在紫外条件下进行观测。

星系演化探测器是由美国多个科研机构参与研制的,韩国和法国的科学家也参与其中,它在地球上空697 千米的圆形轨道上运行,使用寿命是29 个月。

 

X射线——钱德拉X射线望远镜

太阳会发出X 射线,月球会反射太阳光,所以月球也会发出微弱的X 射线。1962 年,一个探空气球升空了。在观测过程中,它发现天蝎座X-1是一个很强的X 射线源,从那时候开始,X 射线天文学诞生了。

X 射线具有很强的能量,很多天体都会发出X射线,除太阳外,脉冲星、脉冲双星、超新星遗迹、X射线新星、塞佛特星系、类星体、黑洞等天体也都会发出强烈的X 射线。

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钱德拉X射线望远镜

从遥远天体发射来的X 射线,在经过地球大气层的时候会被吸收,人们只有把望远镜放到太空,才有可能观测到这些来自宇宙的信号。X 射线望远镜的原理比较特别,它通常被称为掠射望远镜。当X 射线照射到金属板上时,会被阻挡,但当它以很低的角度照射到金属板的时候,就可以畅通无阻。此时,X 射线正是以掠射的方式驰骋。让X 射线以很低的几乎是平行的角度照射到金属板上,并且聚焦成像,就是掠射式望远镜。这是一种反射式的望远镜,反射面一般采用抛物面或者双曲面,镜片有三种组合。

从气球探测到掠射式X 射线望远镜,是一个长久的发展历程。现在人们又运用了很多辅助手段,使X 射线天文学发展到新的阶段。当代X 射线天文卫星有欧洲的XMM-牛顿卫星、钱德拉X射线天文台、日本的朱雀卫星等。钱德拉X 射线天文台是其中比较出色的代表,它于1999 年发射,耗资15 亿美元,作为空间X 射线望远镜,它的观测能力已经不亚于地面上的大型光学望远镜。

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XMM-牛顿卫星

钱德拉X 射线望远镜总重约4.8 吨,主镜为四台套筒式掠射望远镜,每台口径1.2 米,焦距10 米,接受面积为0.04 平方米。除此之外,它还携带着多台高级色谱仪器,包括10 台成像摄谱仪、高能透射光栅射谱仪、低能透射光栅摄谱仪和高分辨率照相机。先进的成像设备与光谱分析技术相结合,标志着X 射线天文学从测光时代进入了光谱时代,钱德拉X 射线望远镜也因此成为X 射线天文学历史上,具有里程碑意义的空间望远镜。

钱德拉X 射线望远镜成绩斐然,大大加深了人们对黑洞的认识。天体在相互吞噬的时候会发生X 射线爆发,如能观测到这些现象,无疑会加深人们对天体之间相互吞噬的认识。

钱德拉X 射线望远镜运行在一条椭圆轨道上,近地点为1 万千米,远地点为14 万千米,轨道周期为64 小时。直到今天,它依然在为我们孜孜不倦地工作着。

 

伽马射线——费米伽马射线空间望远镜

1900 年,人们终于认识到自然界中存在着伽马射线。核爆炸会产生伽马射线,令人难以忘记的广岛原子弹爆炸,让人们知道了它极强的能量,对生物有着巨大的伤害。一个低能量的伽马射线光子所携带的能量,相当于几十万个可见光光子。它在电磁波谱中有着最高的频率和能量。简单地说,伽马射线是光的最高能量形式。

伽马射线具有很强的穿透性,可以穿透几厘米厚的铅板,科学家根本没有办法让伽马射线汇聚起来。此外,即使面对太空中最强的连续伽马射线源,我们在两分钟内也很难接收到一个粒子。更何况,伽马射线源一般都是突然出现,射出一股伽马射线之后,便立刻消失了。这些原因让人们难以将伽马射线汇聚起来,更无法聚焦成像。所以把探测它的仪器称为望远镜实在是不恰当,严格地说,它只是一种探测器,探测来自遥远深空的时断时续的伽马射线。

探测伽马射线只能采用间接的方法,让它与其他物质发生作用,作用时产生的光电闪烁将能证明人们得到了一个伽马射线粒子。此外,探测设备还需要具有极其敏感的反应能力,在出现闪光时,能够迅速找到射线源。

伽马射线虽然具有很强的穿透性,但是却无法穿透地球的大气层,所以我们只能对其进行高空探测,最合适的地点就是在大气层外。1991 年,美国宇航局发射了康普顿伽马射线望远镜,它工作了10 年。2008 6 月,德国、法国、意大利、日本、瑞典联合发射了费米伽马射线空间望远镜。

费米伽马射线空间望远镜的观测对象是宇宙中的高能、超高能乃至极高能事件,比如中子星、黑洞、超新星爆发等等,那里常常发生着伽玛射线爆发。费米伽马射线空间望远镜带有监视系统,可以对全天空的目标进行监视,它的视野极为宽广,每3 个小时可以扫描整个天空一周,一旦发现值得注意的目标,它就能紧紧盯住。

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费米伽马射线空间望远镜

一般情况下,伽马射线很少出现,难觅踪影,但是费米伽马射线空间望远镜却经常能发现它们的痕迹。仅在第一个月,它就探测到31 次伽马射线爆发,2008 9 月,它更是成功地观测到在船底座发生的伽玛射线爆发。这次爆炸能量相当于9000 颗超新星爆炸,其相对论性喷流的运动速度至少达到光速的99.99%。这是当时人们所知道的宇宙间最猛烈的爆发流。

费米伽马射线空间望远镜是当今最先进的伽马射线探测装置,目前已经发现了很多奇异的射线源,它将有助于我们理解宇宙深处的伽马射线是怎么产生的。

 

无线电——平方千米镜阵

在电磁波家族中,无线电是很重要的一个成员,很多天体都会发射出无线电,而接收无线电就是一种探测它们的一种良好途径。光学望远镜家族外,最重要的主力军是射电望远镜,这个家族的发展十分迅速。它的种类很多,有抛物面天线、球面天线、半波偶极子天线、螺旋天线等。最常用的是抛物面天线,它看上去很像太阳灶,这就相当于它的接收镜面,由于具有汇聚作用,所以完全可以把它称为望远镜。

各种望远镜都在努力扩大镜面的面积,因为面积越大,接收到的粒子也就越多,功能也就越好。在下一代建造计划中,最大的光学望远镜的直径也超不过100 米,跟射电望远镜相比,它们差得太远了。美国有直径305 米的阿雷西博射电望远镜,中国也正在建造直径500 米的射电望远镜,这些大的射电望远镜,都是利用自然的山谷建造的。此外,人们还有一种提高射电望远镜性能的方法——建造庞大的阵列,并把它们组合起来。所以,又出现了射电干涉仪、甚长基线干涉仪、合孔径望远镜等新型的射电望远镜技术。

射电望远镜组成阵列的技术越来越成熟,2016 年,一个新的射电望远镜阵列就要开始建造了,这个由20 多个国家联合设计并建造的望远镜被称为平方千米镜阵。它使用的射电望远镜非常巨大,单个抛物面的直径就有15 米,而整个阵列则有3000 个这样的抛物面。这个阵列的观测能力与一个口径为1 平方千米的射电望远镜相当,这也正是它名字的由来。

这些射电望远镜组成的阵列分布在直径约3000 千米的区域内,跨越南非、澳大利亚、新西兰3 个国家。之所以将阵列建造在南半球,是因为那里的工业还不是那么发达,无线电信号的干扰较弱,能保证这些望远镜达到更好的观测效果。

3000 台抛物面的成功构建还需要一系列其他技术的辅助,信号同步精度必须达到十亿分之一秒,所需光缆连接在一起可绕地球两周。完成连接工作之后,电脑还要对碟形天线进行比较。每架望远镜一秒钟可产生大约20GB 数据,足以在短短几分钟内装满存储量最大的电脑硬盘。为了分析这些数据,工作人员还需要一台每秒能运行一百万万亿次的超级计算机,目前这样的计算机还未问世。

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平方千米镜阵

平方千米镜阵是一个宏大的科学项目,该计划始于1993 年,预计于2024 年前后完工,2030 年年底投入使用。天文学家们对它寄予厚望,期待它能探测到第一代星系形成时发射的电磁波,那是宇宙刚诞生不久时的讯息。科学家还希望它能帮助人们揭示磁场在恒星和星系演化过程中的作用,探测暗能量产生的种种效应,它还能接收到外星文明的无线电信号,帮助我们寻找外星生命。它的使用,将会大大改变我们对宇宙的认识。







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