太空探索I【图解航天史]
空间望远镜发展史
文/叶楠
宇宙线的发现
1912年8月7曰，美籍奥地利裔物理学家
维克多.赫斯（图正中）乘坐一台热气球，带着
3台静电计飞到了 5300米高空。在热气球不断
上升的过程中，他发现随着高度的增加，静电计
的读数也在不断上升，这与之前普遍认为的地球
是主要的辐射源，地表辐射应该多于高空的观点
正好相反。1913〜1914年，科尔霍斯证实了赫
斯的发现。这种随着海拔升高而增加的射线被称
为“宇宙射线”，简称“宇宙线”。赫斯也因此
获得了 1936年诺贝尔物理学奖。但是宇宙线的
名字其实并不恰当，因为宇宙线并不是一种电磁
初级和次级宇宙线
宇宙线是来自于外太空的高能亚原子粒子，这些粒子称为初
级宇宙线。初级宇宙线中约90%是质子、约9%是氦原子核、约
1%是电子。当初级宇宙线进入地球大气层，与大气中的原子核发
生碰撞时会产生大量的次级粒子，被称为次级宇宙线。次级宇宙
线主要包括P介子、质子、反质子、阿尔法粒子、电子、正电子、
中子等。地面探测只能接收到次级宇宙线，图为位于我国四川省
稻城县的高海拔宇宙线观测站，配备有电磁粒子探测器阵列、M
介子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列和广角切伦科夫望远镜
阵列等探测设备。若想对初级宇宙线进行探测，还需要将探测器
置于太空之中。
早期对于宇宙线的探测和电磁辐射中的y射线探测是同步开
始的，直到20世纪90年代，才有了对宇宙线的专项探测研究。72 I SPACE EXPLORATION
【图解航天史】I 太空探索
太阳异常性/磁层粒子探索者
太阳异常性/磁层粒子探索者（SAMPEX )是美国宇航局小型 探测器项目中的第一个航天器，卫星长15米、宽0.9米，总质量 只有157千克。1992年7月3日，SAMPEX 从范登堡空军基地由 侦察兵G -1运载火箭送入512千米x 687千米、周期96.7分钟、 倾角817度的轨道。SAMPEX 共携带有4套科学仪器，用于探测 来自太阳的高能粒子以及被认为是在太阳终端激波中加速的“异 常”宇宙线。SAMPEX 执行科学任务运行至1997年，之后主要用 于教育及科普领域至2012年11月。
阿尔法磁谱仪01
阿尔法磁谱仪01 (AMS -01 )最早由物理 学家丁肇中提出。AMS -01只是一个简化版本用 于前期的先导试验，后续还有AMS -02。左图 是1997年4月运抵肯尼迪航天中心正在安装的
AMS -01。AMS -01的主体是由6000个汝铁硼磁 铁组成的圆柱形永磁体，它是第一个运行在太空 中的大型磁谱仪。1998年6月2曰至12曰，发 现号航天飞机执行STS -91任务，这也是航天飞 机最后一次飞向和平号空间站。右图是从和平号 空间站拍摄的发现号航天飞机，AMS -01被放置 于靠近尾部防火墙位置。在为期10天的任务中， AMS -01收集到近8000万次高能粒子触发事件， 证明空间粒子探测器的想法是可行的。
PAMELA 实验
PAMELA 实验的全称是反物质探测和轻核天体物理学实验， 是附加在俄罗斯资源DK 1号卫星上的宇宙线探测模块（左图）。 资源DK 1号卫星于2006年6月15日由联盟号火箭从拜科努 尔发射场送入太空，轨道高度350千米x 610千米、倾角70度。 PAMELA 实验模块高1.3米、重470千克，由俄罗斯、意大利、 德国和瑞典合作开发。右图是正在组装中的资源DK 1号卫星与 PAMELA 实验模块。直至2016年2月资源DK 1号卫星停止工作, 整个任务持续了近10年时间。
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太空探索I 【图解航天史】
星际边界探测者
星际边界探测者（IBEX )(左图）是美国宇航局小型探测器 项目的一颗卫星，于2008年10月19日由飞马座XL 火箭发射升空。 2011年6月经过一次轨道转移后稳定在8.6万千米x 26万千米 的椭圆轨道上，在这个高度，可以远离地球磁层的干扰。IBEX 的 主要科学任务是研究太阳风与太阳系边缘星际介质的相互作用。 右图是基于IBEX 数据得到的日球层图像，可以看出明显的高能中 性原子（ENAs )带。同时，它还测量得到太阳系相对星际介质的 速度为每秒23.2千米，低于之前尤利西斯号太阳探测器的数据。
暗物质粒子探测器
暗物质粒子探测器（DAMPE )也称为“悟空号”，是中科院 于2015年12月17曰发射的一颗卫星，由长征二号丁火箭从酒 泉卫星发射中心发射升空。“悟空号”的主要工作是探测由暗物 质粒子碰撞后产生的y 射线、正负电子、宇宙线粒子等。配备的 科学仪器有闪烁阵列探测器、硅阵列探测器、电磁量能器及中子 探测器等，是迄今为止观测能量范围最宽、能量分辨率最优的暗 物质粒子空间探测器。
2017年11月30曰，国际权威学术期刊《自然》在线发表， “悟空号”有充分数据证实，在太空中测量到了电子宇宙射线的 一处异常波动，这一波动此前从未被观测到，意味着中国科学家 取得一项开创性发现，且有可能与暗物质相关。
阿尔法磁谱仪02
阿尔法磁谱仪02 (AMS -02)被称为“迄今为 止送入太空的最复杂的粒子探测器”，整个任务涉 及16个国家56个机构的500多名科学家。AMS - 02 重达 7.5 吨， 功率达 2500 瓦，它被安置在国际 空间站上（上图），由空间站为其提供所需的电力。 2011年5月16日，奋进号航天飞机将AMS -02送 上太空，这也是“奋进号”的最后一次飞行。2019 年底至2020年初，航天员进行了四次太空行走， 对AMS -02进行了升级维护。下图是2019年12月 2曰航天员卢卡.帕米塔诺为AMS -02更换新的热力 泵系统。迄今为止，AMS -02还在空间站上正常运 行着，为研究反物质、暗物质、奇异物质与空间辐 射环境提供重要的观测数据。
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SPACE EXPLORATION
【图解航天史】丨太空探索
引力波
引力波是加速的质量在时空中产生的涟漪。重力是 时空曲率的表现形式，质量的变化可以导致时空曲率的 变化，这种变化以波的形式向外传播，速度等于光速， 这种现象被称为引力波。由于引力波基本不与物质产生 相互作用，对它的探测持续了半个多世纪，直到2015 年激光干涉引力波观测台发现 引力波信号GW 150914: 这是一次双黑洞并合事件，2个质量分别是36倍和29 倍太阳质量的黑洞，并合为_个质量为62倍太阳质量 的黑洞，而减少的3倍太阳质量（能量）以引力波的形 式释放出去。至此，人类才首次证实了引力波的存在， 这一发现也让3位美国物理学家获得了 2017年的诺贝 尔物理学奖。图为黑洞并合艺术想象图。
激光干涉引力波天文台
激光干涉引力波天文台（LIGO )是2台分别位于华盛 顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的天文台。与一般的望 远镜完全不一样，LIGO 使用的是激光干涉的方法探测引力 波，而引力波的强度相当于1千米长的铁轨上产生1019米 的变化。每个天文台最大的特征是垂直方向上两条各长4千 米的干涉臂。利用类似迈克尔逊干涉仪的原理，如果某个方 向上发生引力波事件，则会引起这个方向上的时空扰动，激 光干涉条纹也会产生有规律的变化。干涉臂的长度越长，这 种干涉现象就会越明显。但是受限于地球本身大小的限制， 以及地质运动会使得干涉臂本身的空间尺度不稳定。所以， 为什么不将引力波天文台置于太空之中呢？
激光干涉引力波观测台
激光干涉引力波观测台（LISA )是欧空局和美国宇航局合作的引力波探测项目，计划于2034年投入运行。左图为LISA 构 想图，它由3个相同的航天器构成_个边长250万千米的等边三角形，这个基线长度是LIGO 的62.5万倍，将大大提高观测灵 敏度。为了实现这一构想，2015年12月3日，欧空局发射了一颗名为“LISA 探路者号”的探测器（右图），为LISA 任务所 需的技术进行试验性研究。在“USA 探路者号”上，通过光学干涉技术精确测量了两个相距38厘米（模拟LISA —条基线）的 两个物体的相对运动，整个任务持续了 16个月时间，试验结果表明空间激光干涉技术是可行的。（全文完）
责任编辑：薛滔
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