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NASA:相比發射衛星,升起“超級氣球”觀天可能更經濟

澎湃新聞記者 楊漾 實習生 張煜鋅
2016-07-05 07:36
來源:澎湃新聞
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NASA最新發射的全球最大密封加壓(pressurized)氣球,創下了大型科學氣球在中緯度飛行的最長時間記錄。這個直徑達114米的氣球,被填充進532000立方米的氦氣, 這大約相當于六個太和殿的體積,繞南半球飛行了46天。它搭載著伽馬射線望遠鏡,飛向了空間的盡頭。

盡管該氣球因為夜間下沉被迫于7月2日提前結束了使命,但此次飛行仍是是NASA以低成本的“超壓(superpressure)”氣球取代衛星上的里程碑。

NASA于今年5月發射的超壓氣球。

超壓氣球從彩虹側面經過南極上空。

幾十年來,傳統的“零壓”氣球為科研人員研究大氣化學、宇宙微波背景輻射及其他許多現象提供了絕佳平臺。但在溫帶地區,傳統氣球的耐力十分有限。白天,陽光照射加熱氦氣會造成氣體膨脹和泄漏。夜間,氣球冷卻下來,必須拋棄壓艙物以避免漂浮得太低。因此,零壓氣球的飛行要求十分苛刻,只能在夏季的兩極附近進行長時間飛行,因為也只有這個時候,持續不斷的日光可以保證其持續漂浮數周。

超壓氣球可以延長其在溫帶地區的持續飛行時間,對于天文觀測而言意味著嶄新的開端。

超壓氣球里面的氦是被加壓的,由于其體積不會隨著一天中的受冷受熱而改變,因此他們可以在無須釋放氣體或扔掉壓艙物的前提下,就穩定在固定海拔。在過去的十年當中,NASA曾派出發射過比此次更大、更雄心勃勃的超壓氣球,在中緯度地區穩定飄浮了整整32天。

一般來說,氣球在科研方面主要用于采集高空的數據,比如進行氣象監控、軍事偵測等。和衛星、飛艇相比,氣球的成本優勢明顯。而且,衛星一般運行于大氣層外,氣球在大氣層的利用可行性更高些。傳統的氣球由于內外氣壓的變化,夜晚在達到一定高度后內部氣體收縮而爆炸,所以加壓密封的氣球能夠穩定在一定的高度進行工作而不會爆炸,是一個較大的突破。

7月2日,NASA工作人員在距Camaná鎮北32千米的秘魯海岸線邊帶回了這個氣球。這個任性的氣球,為研究人員傳送回了一些比較新的天體物理學相關數據。在飛行途中,它搭載了“康普頓譜儀和熱像儀”,英文原名為“Compton Spectrometer and Imager”的伽馬射線望遠鏡,簡稱“COSI”。COSI項目由NASA出資贊助,主要由加州大學伯克利分校的空間科學實驗室聯合法國、中國臺灣等地的學者研發,從2005年開始被應用到有關的氣球科研項目中。在NASA的官網介紹中可以看到,COSI的發展前后歷經30多年,分辨率從40立方厘米到2立方毫米,目前能量范圍在0.2到若干兆之間,可以掃描到四分之一的天空。

左圖為康普頓望遠鏡30多年前的原型,右圖為現模型。

COSI質量很輕,能夠實時傳送回數據。Nature雜志介紹道,COSI可以捕捉宇宙空間中的高能量電子流,測探射線是從天空的哪里發射出來的,從而解開眾多航天謎團。Science雜志認為,COSI主要用于探測有關物質是如何融合構成超新星的,它能夠觀測到超新星碎片上的放射性核物質發射的伽馬射線,并有可能通過觀察到明顯的伽馬射線爆發,來測量超新星的偏振(polarization)現象。通常情況下地球磁場的存在使得偏振現象很難在兩極觀測到,而COSI望遠鏡因能長時間在空中飛行使這一難題得以解決。加州的伯克利分校的Steven Boggs教授是COSI項目的領軍人,他說,需要在對的時間對的地點去捕捉伽馬射線爆發。

搭載COSI的超壓氣球經過太陽周圍。

當然,超壓氣球也有其局限。對于會產生大量數據的研究來說,這些數據只能被存儲在氣球飛行中的設備上,因此超壓氣球以及它搭載的儀器必須確保不會掉落在海洋中。

即便如此,NASA已經將超壓氣球列入了未來幾年的任務單上,用以研究從暗物質到宇宙射線在內的一系列現象。位于德克薩斯州圣安東尼奧西南研究所的行星科學家Eliot Young說,如果這種氣球能搭載自己的望遠鏡,他將十分開心。隨著越來越多的超壓氣球將采集到大量有用數據,“每個人都會意識到這是一個巨大的機會。”

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