圖解空間望遠鏡發(fā)展史

文 / 葉楠

γ射線空間望遠鏡（下）

γ衛(wèi)星

γ衛(wèi)星是蘇聯(lián)和法國聯(lián)合研制的一臺γ射線空間望遠鏡，于1990年7月11日發(fā)射進入高375公里、傾角51.6度的地球軌道。早在1965年，蘇聯(lián)就提出了搭載于空間站上的γ射線望遠鏡計劃，其間幾經(jīng)波折，項目最終于1979年獲得授權，原計劃于1984年發(fā)射，但最終推遲到了1990年。γ衛(wèi)星共搭載了3臺γ射線望遠鏡：γ射線-1，探測波段50MeV～6GeV；盤-M，探測波段20keV～5MeV；脈沖星X-2，探測波段2～25keV。γ衛(wèi)星運行了一年半的時間，對銀河系中心、天鵝座X-1、武仙座X-1、蟹狀星云等進行了觀測，還對處于活動高峰期時的太陽活動進行了監(jiān)測。

康普頓γ射線天文臺

阿瑟·康普頓（1892—1962）是美國物理學家（左圖），1923年，康普頓發(fā)現(xiàn)當X射線或γ射線與物質產(chǎn)生相互作用后，因能量損失會發(fā)生波長變長的現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)后被稱為康普頓效應，是對電磁波具有粒子性的有力證明。因這一發(fā)現(xiàn)康普頓獲得了1927年的諾貝爾物理學獎。

以他的名字命名的康普頓γ射線天文臺（CGRO）（右圖）是美國“大型軌道天文臺計劃”四臺空間望遠鏡之一，其他三臺分別是：哈勃空間望遠鏡、錢德拉X射線天文臺和斯皮策空間望遠鏡。CGRO于1991年4月5日從肯尼迪航天中心由阿特蘭蒂斯號航天飛機送入軌道，整個發(fā)射質量達到17噸，是當時最重的空間天文儀器載荷。CGRO攜帶的4臺探測器可以覆蓋能量范圍從20keV至30GeV的X射線和γ射線波段。CGRO一直工作至2000年，9年間它完成了第一次能量在100MeV以上的巡天觀測，發(fā)現(xiàn)了271個新的射線源，共發(fā)現(xiàn)近2700次γ射線暴事件。但令人奇怪的是，在鄰近星系幾乎沒有發(fā)現(xiàn)γ射線暴事件，都是來自于更加遙遠的星系。

GRB 990123

1999年1月23日，CGRO記錄到了一個強大的γ射線暴事件GRB 990123，整個過程持續(xù)了約90秒，在第25秒和40秒出現(xiàn)了兩個明顯的峰值爆發(fā)，在8分鐘以后，輻射強度下降至峰值的百分之一。GRB 990123能夠排名當時已發(fā)現(xiàn)所有γ射線暴強度的前2%。在CGRO發(fā)現(xiàn)此次事件之后，天文學家使用位于美國新墨西哥州的ROTSE-1光學望遠鏡迅速對準目標，在第22秒開始拍下目標的光學照片，其光學對應體從18等迅速增加到9等，光度增加約4000倍。第二天，位于夏威夷莫納克亞山的凱克望遠鏡拍攝到了它變暗后的影像，此時已經(jīng)降低到20等，通過光譜分析發(fā)現(xiàn)紅移為1.6，可推算出距離約為90億光年。這是人類第一次同時記錄到γ射線暴與其光學對應體的亮度變化。

高能暫現(xiàn)源探測器2號

高能暫現(xiàn)源探測器2號（HETE-2）又名探險者79號（左圖），在它之前，HETE-1在1996年發(fā)射升空后由于爆炸螺栓問題未與火箭脫離而失敗。HETE-2于2000年10月9日由飛馬座空射型運載火箭（右圖）成功送入軌道，這是一顆非常小巧的衛(wèi)星，發(fā)射質量只有124千克。HETE-2上裝載有紫外、X射線和γ射線探測器，其主要工作是對γ射線暴進行多波段觀測。它的定位精度達到了10角秒，還擁有一套網(wǎng)絡系統(tǒng)可以快速調用地面望遠鏡進行光學和紅外波段的觀測。HETE-2有許多新的發(fā)現(xiàn)：GRB 030329的發(fā)現(xiàn)將γ射線暴同超新星爆發(fā)緊密聯(lián)系在了一起；GRB 050709是人類發(fā)現(xiàn)的第一個具有光學對應體的短γ射線暴。

國際γ射線天體物理實驗室

國際γ射線天體物理實驗室（INTEGRAL）是歐空局、俄羅斯航天局和美國宇航局共同合作的一項γ射線探測任務。2002年，INTEGRAL從拜科努爾航天發(fā)射場由質子-K型火箭送入太空，這是歐空局歷史上發(fā)射過的質量最大的科學載荷，達到了4噸。INTEGRAL的軌道高度為6300公里×157000公里，具有很高的偏心率。INGEGRAL主要攜帶有6套科學儀器：星載成像儀可對能量范圍從15keV的硬X射線至10MeV的γ射線進行觀測，角分辨率為12角分；光譜儀可探測到20keV至8MeV的輻射；γ射線暴探測器；X射線探測器；光學監(jiān)視器；輻射監(jiān)視器。INTEGRAL的觀測靈敏度是當時最強的，時至今日，它還擁有足夠的能量在繼續(xù)服役。期待它有更多的發(fā)現(xiàn)。

格雷爾斯雨燕天文臺

格雷爾斯雨燕天文臺（Swift）（左圖）是美國、英國及意大利合作的一項以γ射線暴為主要探測目標的空間探測任務。Swift攜帶有三套主要的觀測儀器，分別可以在γ射線波段、X射線波段以及紫外/光學波段進行觀測。右圖為Swift在紫外/光學波段拍攝的第一張照片，照片里的天體為俗稱風車星系的M101。當在巡天觀測中發(fā)現(xiàn)疑似γ射線暴時，Swift可以迅速的將三套設備對準目標，同時觀測數(shù)據(jù)也可以迅速傳回地面，以便其他地基天文臺進行配合觀測，這種“迅速”與“Swift”所代表的涵義之一有共通之處，而“格雷爾斯”這個名字是在2018年1月加上的，為了紀念于2017年去世的Swift首席科學家尼爾·格雷爾斯。

第1000個γ射線暴

Swift于2004年11月20日發(fā)射升空，計劃運行2年時間。從2005年2月它公布了首個發(fā)現(xiàn)開始，Swift取得了豐碩的觀測成果：它發(fā)現(xiàn)過紅移高達6.29的GRB 050904；爆發(fā)持續(xù)超過2000秒的GRB 060218；距離超過131億光年的GRB 090429B等等。到2015年10月，距離升空11年后，Swift發(fā)現(xiàn)了GRB 151027B（左圖），這是它發(fā)現(xiàn)的第1000個γ射線暴。時至今日，它依舊在560公里高度軌道上繼續(xù)服役，可以說在所有在軌的γ射線空間天文臺之中，Swift是工作時間最長、成果最為豐碩的一個。右圖為Swift當時發(fā)現(xiàn)的1000個γ射線暴相對銀道面分布圖。

敏捷號γ射線天文衛(wèi)星

敏捷號γ射線天文衛(wèi)星（AGILE）是意大利航天局的一顆X射線和γ射線天文衛(wèi)星。2007年4月23日，AGILE從位于印度的薩迪什·達萬航天中心發(fā)射升空，軌道高度533公里×509公里，傾角只有2.47度，周期94.9分鐘。AGILE是一個邊長只有60厘米左右的六邊形立方體，重約100千克，是有史以來最小巧的空間高能天體物理探測設備。AGILE具有出色的探測和成像能力，整個任務期間，發(fā)現(xiàn)了來自于天鵝座X-3的γ射線輻射；探測到來自于蟹狀星云會產(chǎn)生變化的γ射線輻射；對粒子加速理論模型提出了新的挑戰(zhàn)。它還首次從超大質量黑洞3C 454.3中發(fā)現(xiàn)γ射線耀斑，并對黑洞馬卡良421進行了X射線和γ射線波段的聯(lián)合觀測。AGILE的快速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以在3到3.5小時內(nèi)生成警報，是世界上最快的γ射線監(jiān)視預警系統(tǒng)。

費米γ射線空間望遠鏡

費 米γ射線空間望遠鏡（FGST）（上圖）于2008年6月11日發(fā)射升空，是由美國宇航局、美國能源部、法國、德國、意大利、日本和瑞典共同合作的一項太空任務，是 繼INTEGRAL之后最敏感的γ射線空間望遠鏡。FGST主要攜帶有兩套科學儀器：大視場望遠鏡能夠同時對整個天空面積的20%金星γ射線探測，探測能量范圍在20MeV至300GeV之間；γ射線寶監(jiān)測儀由14個閃爍探測器構成，用來監(jiān)測8keV至1MeV能量范圍內(nèi)的γ射線暴。下圖是FGST從2009年至2013年間繪制的強于1GeV的γ射線輻射空間分布圖。

FGST的新發(fā)現(xiàn)

2010年11月，F(xiàn)GST在銀河系附近發(fā)現(xiàn)兩個發(fā)出γ射線和X射線的氣泡，后被命名為費米氣泡，分別位于銀河系中心上下側，相對銀心最遠延伸25000光年。2012年，觀測到有史以來來自于太陽耀斑的最強γ射線輻射，其能量是可見光的20億倍，約40GeV。2013年4月，F(xiàn)GST探測到GRB 1130427A，能量達到940GeV，是迄今為止最強的γ射線暴，超過之前的最高紀錄3倍。2015年，當激光干涉引力波天文臺（LIGO）發(fā)現(xiàn)由兩個黑洞并合引發(fā)的引力波事件GW150914時，F(xiàn)GST在引力波事件0.4秒后探測到50keV的弱γ射線爆發(fā)，其來源天區(qū)與GW150914重合，但尚無明確的證據(jù)證明此次γ射線爆發(fā)與GW150914有直接關系。