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NASA:相比发射卫星,升起“超级气球”观天可能更经济

澎湃新闻记者 杨漾 实习生 张煜锌
2016-07-05 07:36
来源:澎湃新闻
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NASA最新发射的全球最大密封加压(pressurized)气球,创下了大型科学气球在中纬度飞行的最长时间记录。这个直径达114米的气球,被填充进532000立方米的氦气, 这大约相当于六个太和殿的体积,绕南半球飞行了46天。它搭载着伽马射线望远镜,飞向了空间的尽头。

尽管该气球因为夜间下沉被迫于7月2日提前结束了使命,但此次飞行仍是是NASA以低成本的“超压(superpressure)”气球取代卫星上的里程碑。

NASA于今年5月发射的超压气球。

超压气球从彩虹侧面经过南极上空。

几十年来,传统的“零压”气球为科研人员研究大气化学、宇宙微波背景辐射及其他许多现象提供了绝佳平台。但在温带地区,传统气球的耐力十分有限。白天,阳光照射加热氦气会造成气体膨胀和泄漏。夜间,气球冷却下来,必须抛弃压舱物以避免漂浮得太低。因此,零压气球的飞行要求十分苛刻,只能在夏季的两极附近进行长时间飞行,因为也只有这个时候,持续不断的日光可以保证其持续漂浮数周。

超压气球可以延长其在温带地区的持续飞行时间,对于天文观测而言意味着崭新的开端。

超压气球里面的氦是被加压的,由于其体积不会随着一天中的受冷受热而改变,因此他们可以在无须释放气体或扔掉压舱物的前提下,就稳定在固定海拔。在过去的十年当中,NASA曾派出发射过比此次更大、更雄心勃勃的超压气球,在中纬度地区稳定飘浮了整整32天。

一般来说,气球在科研方面主要用于采集高空的数据,比如进行气象监控、军事侦测等。和卫星、飞艇相比,气球的成本优势明显。而且,卫星一般运行于大气层外,气球在大气层的利用可行性更高些。传统的气球由于内外气压的变化,夜晚在达到一定高度后内部气体收缩而爆炸,所以加压密封的气球能够稳定在一定的高度进行工作而不会爆炸,是一个较大的突破。

7月2日,NASA工作人员在距Camaná镇北32千米的秘鲁海岸线边带回了这个气球。这个任性的气球,为研究人员传送回了一些比较新的天体物理学相关数据。在飞行途中,它搭载了“康普顿谱仪和热像仪”,英文原名为“Compton Spectrometer and Imager”的伽马射线望远镜,简称“COSI”。COSI项目由NASA出资赞助,主要由加州大学伯克利分校的空间科学实验室联合法国、中国台湾等地的学者研发,从2005年开始被应用到有关的气球科研项目中。在NASA的官网介绍中可以看到,COSI的发展前后历经30多年,分辨率从40立方厘米到2立方毫米,目前能量范围在0.2到若干兆之间,可以扫描到四分之一的天空。

左图为康普顿望远镜30多年前的原型,右图为现模型。

COSI质量很轻,能够实时传送回数据。Nature杂志介绍道,COSI可以捕捉宇宙空间中的高能量电子流,测探射线是从天空的哪里发射出来的,从而解开众多航天谜团。Science杂志认为,COSI主要用于探测有关物质是如何融合构成超新星的,它能够观测到超新星碎片上的放射性核物质发射的伽马射线,并有可能通过观察到明显的伽马射线爆发,来测量超新星的偏振(polarization)现象。通常情况下地球磁场的存在使得偏振现象很难在两极观测到,而COSI望远镜因能长时间在空中飞行使这一难题得以解决。加州的伯克利分校的Steven Boggs教授是COSI项目的领军人,他说,需要在对的时间对的地点去捕捉伽马射线爆发。

搭载COSI的超压气球经过太阳周围。

当然,超压气球也有其局限。对于会产生大量数据的研究来说,这些数据只能被存储在气球飞行中的设备上,因此超压气球以及它搭载的仪器必须确保不会掉落在海洋中。

即便如此,NASA已经将超压气球列入了未来几年的任务单上,用以研究从暗物质到宇宙射线在内的一系列现象。位于德克萨斯州圣安东尼奥西南研究所的行星科学家Eliot Young说,如果这种气球能搭载自己的望远镜,他将十分开心。随着越来越多的超压气球将采集到大量有用数据,“每个人都会意识到这是一个巨大的机会。”

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