早期天文卫星回顾

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在空间天文史上,被后世的辉煌所掩盖的不仅仅是探空火箭时代的工作,还有早期卫星的成就。这些卫星所扮演的角色与其说是象今天这样的科研中流砥柱,不如说是天文学与航天技术的开拓者。除却在卫星本身技术方面的种种第一,或许还可以从覆盖波段上瞥见一斑:可见光在很大程度上被忽略。先驱们急于进行的是填补空白,提高地面观测精度的需求远不如拓荒迫切,何况当时的技术水平也实在无法让精度提升。在某种意义上,这倒是可以解释当时的大部分空间观测被今人忽略的原因:真正能够恒久流传为人所用的,不是为了开拓而开拓的第一次,而是高质量的数据,虽说没有前者的铺垫,后者往往是空谈。</>本文的主要关注对象是那些在20世纪70年代之前发射的天文卫星。于本人来说,这期间的历史很难了解得面面俱到。撰写探空火箭时代的历史时,尚有手边保存的前半本New Cosmic Horizons作为后盾,这早期天文卫星的种种就只能凭借一人之力搜寻了(至于早期的行星探测器,先容我暂且放一放,忙忙忙……)。当年相当一部分的太空计划多多少少带有天文色彩,本文先择其要叙之,剩余的慢慢补充不迟。正逢建站4年之日,无心再写感言,于是权以此作为庆祝。 索拉德:新日纪元在太空探测的早期,因为距离近的缘故,太阳是最重要的研究对象之一。探空火箭实验如此,而作为最早的一批天文卫星,于1960年至1976年间陆续发射的索拉德太阳辐射卫星系列也没有免俗。自索拉德1号起,太阳的空间观测有了自己持久的前哨站,逐渐步入正轨。索拉德的主持者并不是NASA,而是美国海军实验室,索拉德是该机构在1958年前锋卫星发射失败后开展的第一项太空计划。其实索拉德负有双重使命:一是人人皆知的太阳辐射测量,另一个则在此后的将近40年间一直处于严格保密状态,直到1998年海军实验室成立50周年之际方才公开——作为ELINT情报系统的工作平台,以图截获前苏联的防空雷达信号。早期(编号从1至5)的索拉德卫星又名GRAB,这是ELINT卫星系统的别名,也是名不符实的“银河辐射与背景”的缩写。1962年,GRAB更名为Dyno,随后的ELINT相关计划改用专门的“罂粟(Poppy)”卫星进行,索拉德转作专门的太阳研究卫星,其中的8至10号被编入探险者卫星序列。早期天文卫星回顾索拉德1号卫星结构示意。(图片提供:US Navy)由于这一计划前后持续了10几年,索拉德系列配备的天文仪器拉拉杂杂,后续卫星往往以前任的观测结果为依据进行设计。早期的典型设备包括莱曼α与X射线流量计,后期又陆续添加了电离室、盖革计数器、正比计数器、电子温度计、远紫外探测器、布喇格光谱仪等,还有用于测量宇宙X射线背景的固体探测器。相对同时期的箭载实验,索拉德的最大优点是持久——从1号卫星起,任务即为长时间监测太阳。本文并不关心索拉德作为情报卫星的细节,不过索拉德1号的数据却着实冲击了太阳物理学界:莱曼α与X射线电离室率先确定了无线电信号中断与太阳X射线辐射增强的关系。当然在航天史上,这颗卫星的意义还在于率先采用一箭多星的方式发射。一起上路的是导航卫星子午仪(Transit)2A。其后的索拉德家族成员也往往与其他卫星同时发射。早期天文卫星回顾与子午仪2A(下)对接测试中的索拉德1号。(图片来源:ipmsstockholm.org)但是接下来的索拉德2号至4B不仅没有得出什么轰动的结果,还都遭遇了发射失败,直到1963年的索拉德6A与1964年的索拉德5B。索拉德5B的主要工作是在太阳宁静期定出了辐射流量的最小值。短命的6A与接替者6B都进行了太阳X射线与莱曼α探测,随后的索拉德7A与7B则记录了太阳活动期。索拉德8号是国际宁静太阳年的应景卫星,增添了用于测定X射线与紫外辐射的计数器,9号也沿用了这样的设备。而索拉德10号在探测太阳之外,还接收到了来自恒星的辐射。系列中的最后一对卫星是1976年发射的11A与11B。此时的索拉德已经从1960年19千克重的铝球发展成了上百千克的12面柱体,载荷也从1960年的2台莱曼α探测器与1台X射线探测器升级成了紫外与X射线全能段的20余套仪器。在服役后期,索拉德还在新兴的伽玛射线暴探测方面留下了自己的身影。早期天文卫星回顾索拉德11A。(图片来源:Directory of U.S. Military Rockets and Missiles)在索拉德稍后启动的是NASA的轨道太阳观测站(OSO),这是最早的空间太阳观测专用平台,从1962年起陆续发射了8颗。OSO以跟踪高能波段太阳活动周为宗旨,同时行星际尘埃、深空X射线也在待测目标之列。系列中的OSO-1是第一颗搭载磁带记录仪与指向系统的卫星,史上第一张日冕全貌照片以及第一次日冕极紫外观测都是OSO的功绩。早期天文卫星回顾正在进行平衡测试的OSO-3。(图片提供:NASA) 探险者11号:拓荒高能如果说半军事用途的索拉德昭示的是天文卫星的肇始,那么在1962年,William L. Kraushaar与George W. Clark撰文用22个深空伽玛光子宣告了伽玛射线天文学的诞生。这22个光子的接收者,正是重量只有区区30几公斤的探险者11号卫星。早期天文卫星回顾探险者11号卫星。(图片提供:HEASARC/NASA)伽玛射线天文学的历史与天文学的其他分支有所不同。在深空辐射真正被探测到之前,理论家早已有了无数的猜测等待验证。建造探险者11号的目的,就是要探测能量在50 MeV以上的光子,为此它携带有世界上最早的星载伽玛射线探测装置。这台仪器的本体只有20英寸高、10英寸宽,重10几公斤,结构也很简单,是包裹在塑料闪烁体中的碘化铯/碘化钠闪烁体与切伦科夫计数器,视场半宽约为17度。早期天文卫星回顾探险者11号卫星的伽玛射线探测器。(图片提供:HEASARC/NASA)由于探险者11号的星体并不能主动指向,为拓展可观测的天区范围,卫星是装在滚筒上的,可以大致扫过全天。观测的重点是银道面、银心、太阳以及深空射电源。卫星于1961年4月27日发射,同年5月19日开始采集数据,11月17日因电力故障而终结任务。在此期间,深空观测总共进行了23天9小时,22个伽玛光子的发现就在其中,与之相伴的则是22000个由宇宙线引发的信号。22个伽玛光子事件的分布既不均匀,又没有与银道面明显的成协性,只是暗示了伽玛射线随机背景辐射的存在。不过这足以排除先前一些猜测,譬如反物质星系的存在。最符合观测的理论模型当属Hayakawa等人在1958年提出的正负电子对产生以及质子—中子俘获说。当然,此时利用如此少的数据得出任何进一步的结论都是为时过早。接下来,空间天文学界的目光又转向了光子能量更低的区域。早期天文卫星回顾探险者11号卫星给出的伽玛射线强度分布,实线表示宇宙线的强度。(图片来源:Kraushaar 1965) 轨道天文台:紫外绚烂轨道天文台(OAO)属于太空时代早期的杰作,它们可以追溯到史密松天体物理天文台在20世纪50年代提出的Celescope计划,是美国最早的系列深空天文卫星。其中只有第2颗卫星OAO-2以及第4颗即哥白尼卫星取得了成功;其余两颗,也就是OAO-1与OAO-B,分别因电池过热与未能成功入轨而以失败告终。早期天文卫星回顾OAO-2。(图片提供:University of Wisconsin-Madison)虽说前苏联在OAO之前的1964年已经发射了高能天文卫星——宇宙51号,不过与它有关的记录,只找到了一篇测量夜空亮度的会议论文,并无其他资料可循,只好略过。而别名观星者(Stargazer)的OAO-2着实创造了历史。这颗在1968年发射时最重的卫星携带的望远镜数量达到了令人瞠目的11架,又以紫外为主,由此不难窥见其雄心。星上载荷包括史密松天文台提供的Celescope,还有威斯康星大学的实验设备组。前者主要由4架配备电视照相机的12英寸望远镜组成,后者包括4台恒星光度计、1台星云光度计,外加2台扫描光谱仪。寻星工作则由6组双平衡环实现。早期天文卫星回顾史密松天体物理天文台的Celescope。(图片提供:University of Wisconsin-Madison)彗星的氢云、仙女星系中心的紫外辐射、新星的紫外光变,还有数以千计的新天体是OAO-2所见的景象。根据OAO-2的数据,人们了解到,星系的紫外亮度要高于根据恒星辐射外推的数值,热星的经验温度关系也第一次得到了确定。1972年升空的OAO-3为纪念哥白尼诞生500周年而更为现名。它取得了更大的成功。星上携带的是当时最大的空间望远镜,口径80厘米,采用卡塞格伦结构;此外还装备了英国提供的X射线Wolter掠射镜。在8年半的飞行时间内,它第一次实现了高精度的紫外空间观测,记录下了511个天体的高分辨率光谱,探查了银河系边缘的紫外辐射,氧的5次电离线、冷星星冕辐射、氘原子丰度以及长周期脉冲星也是它的发现。早期天文卫星回顾哥白尼卫星获取的天狼星光谱。(图片提供:STScI)轨道天文台更大的功劳还在于促成了包括哈勃在内的大型轨道望远镜的面世。天文界正是因为OAO才意识到空间观测的前途,才有了后来为人们所熟悉的宇宙图景。 射电天文探测卫星:聆听星河专门用于进行射电观测的卫星少而又少。1997年入役的HALCA算是为数不多的几个例子之一。不想在撰写本文的过程中,又了解到了一些关于早年射电卫星的东西,主角就是NASA的射电天文探测卫星(RAE)。早期天文卫星回顾RAE-B。(图片提供:NASA)与后来的HALCA不同,RAE并非在GHz频段工作的VLBI平台,而是专门用于接收低频射电信号的。在地面上,由于电离层的干扰,大气对于几十MHz以下频率的电波并不透明。为克服这一障碍,RAE应运而生。它们可以将接收下限延伸到几十kHz,以图寻找来自银河系的低频电波,并监测太阳系内的射电爆发随时间、方向与频率的变化。RAE计划发射4颗,但最终只被批准了两颗。星载天线包括一部36米偶极天线与两部230米V型天线,采用Ryle-Vonberg接收机测量信号,另有用于爆发现象的射电爆发接收机,星载仪器的校准则用阻抗探测器实现。1968年入轨的RAE-A本来计划工作1年,但不出2个月,星载记录仪的状况就开始有恶化的趋势,好在没有对天线的工作产生太大影响。不过由于来自地球本身的人工与天然信号干扰,RAE-A眼中的射电天空一片杂乱。1973年,后续的RAE-B成了阿波罗之后、克莱门汀之前美国唯一的环月航天器(虽然并不以探月为目标),直接意图就是为了避免地面干扰源。只是由此带来了不均匀引力场导致的一系列问题,其采用的引力梯度指向技术也没有完全克服这一点。RAE-B的Ryle-Vonberg接收机工作频段从RAE-A的4个扩展到了9个,姿态控制也有所改进。由于月球的屏蔽,这颗卫星的数据质量要比RAE-A好上很多。早期天文卫星回顾RAE的电子设备。(图片提供:NASA)可能因为天线尺度与需求精度的问题,RAE并没有作出多少划时代的发现,之后的射电空间观测归于沉寂,这种状况一直延续到了20世纪90年代初业余射电天文卫星SARA的发射,而真正有价值的结果直到HALCA的时代才面世。 乌呼鲁:自由之歌1970年12月12日,第一颗专门用于X射线天文观测的卫星从意大利的San Marco发射平台升空。由于发射地位于肯尼亚近海,这天又是肯尼亚的独立日,故卫星以乌呼鲁命名,在当地的斯瓦西里语中意为自由。早期天文卫星回顾乌呼鲁卫星。(图片提供:NASA)乌呼鲁应该算是早期天文卫星中名声最为响亮的一个。它的研制要归功于X射线天文学之父——2002年诺贝尔物理奖得主Riccardo Giacconi。实际上这只是NASA一系列小天文卫星(SAS)中的第一颗,用于完成NASA复杂程度递增的X射线观测计划中的第一步。以今天的眼光来看,乌呼鲁的星载仪器不可谓不简陋,甚至还算不得是当年的最高水平:两台近似彼此相对的大视场正比计数器,各自的有效面积是840平方厘米,准直半宽分别是5乘5度与0.5乘5度,前者对点源的灵敏度较高,后者分辨率较好。但这些设备并不能成像,成象的目标直到3年后才由爱因斯坦卫星实现。与之前的火箭实验以及早期X射线卫星相比,乌呼鲁真正的突出之处还是灵活性:可以按照要求利用磁扭矩的方式转向特定天区,大大增加了观测的自由度。由于星体本身每12分钟自转一周,每次重新指向(约需要几个轨道周期)可以扫过宽为10度的环带状天区。早期天文卫星回顾乌呼鲁的准直器,上方开口为太阳传感器与恒星传感器。发射乌呼鲁卫星的首要目的是在2至20 keV的能段上巡天,监测流量下限相当于蟹状星云的千分之0.5;其次才有定位强源、监测光变、解析展源以及联合观测的意图。毕竟当年的分辨率只是角分级而已,并不能满足查明细节的需要。截止到1973年春卫星退役,乌呼鲁巡天几乎覆盖了全天。经过2年多的观测,最终的产品是第四乌呼鲁X射线源表,发表于1978年,包含339个X射线源,类型涵盖X射线双星、超新星遗迹、塞佛特星系、星系团等,其中最出名的源是武仙X-1、天鹅X-1与半人马X-3。至于这些天体的本质,却是在很多年以后才被人了解。除了X射线源表,星系团的弥漫X射线辐射也是乌呼鲁卫星的重要发现。早期天文卫星回顾乌呼鲁巡天的覆盖视场,其中只有白色区域表示完全没有观测的部分,其他区域以不同形状的底纹来表示灵敏度。(图片来源:Forman et al. 1978)乌呼鲁之后的SAS-2与SAS-3分别是伽玛射线与X射线卫星,于1973年和1975年发射。这两颗卫星都有巡天的目的,伽玛射线脉冲星Geminga的发现是SAS-2的一大亮点,SAS-3则对大批点源作了进一步的研究。 尾声乌呼鲁之后是欧空局的TD-1A、英国的羚羊V与羚羊VI、荷兰的ANS,还有印度的第一颗卫星Aryabhata,这些卫星的工作波段并没有离开光谱的最短一端。长久以来几乎被无视的红外沃土直到1983年IRAS的升空才被开垦。在1989年的依巴谷之前,也没有什么象样的光学天文卫星在轨。往后的故事没有必要再去一一重复,空间天文台划时代的工作几乎已是众人皆知,更值得期盼的总在将来…… 参考资料[1] The New Astronomy edited by Wayne Orchiston
[2] Orbital Telescopes
[3] Directory of U.S. Military Rockets and Missiles
[4] Kraushaar, W. L. 1965, Annales d’Astrophysique, Vol. 28, p.202
[5] OAO-2
[6] Radio Astronomy Explorer
[7] The fourth Uhuru catalog of X-ray sources内容来自 Bo Zhang's Homepage

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