国际空间站上的空间天文学

作为史上最大的太空实验室，国际空间站承担着数以百计的多学科实验任务，从生命科学到对地观测，从材料生长到基础物理，从文化适应再到公众教育，内容无所不包。在这其中，十余项空间天文或太空物理项目也充分利用着这处大型轨道平台求索宇宙。在这里，这些主要安装在欧、美、日等国实验舱外部的仪器远离地球大气层，还可以全天候工作。多年以来，它们已经帮助我们认识了太多先前不为人知的现象，而一些新的计划也将陆续上马。这里我们不妨对空间站上的天文相关项目作个概览，并由此一窥当前天文学研究丰富多彩的各个领域。AMS-02：反物质寻踪2011年安装就位的阿尔法磁谱仪（AMS-02）或许称得上是公众曝光率最高的国际空间站天体物理相关仪器了。华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中的牵头，中国多家机构的参与，当然还有反物质这样一种引人入胜的探测目标，都是它被媒体频频报道的理由。这台仪器的前身要追溯到1998年搭乘发现号航天飞机升空的验证机AMS，它不仅论证了磁谱仪的必需技术，还给出了反氦核相对氦核比例的流量新上限。AMS-02本质上是一台粒子探测器，要借助场让将入射带电粒子的飞行路径发生偏折，从而将其电荷和质量信息提取出来。自2011年安装就位以来，它已经记录下了数以百亿计的宇宙线事件，其中包括上千万次能量在GeV甚至更高的正负电子轰击。安装在国际空间站上的AMS。（图片提供：NASA）除却丁肇中所称的籍由反氦核证实或证伪反物质星系的存在星之外（个人看来这只是个噱头，其实有些扯淡。毕竟标准宇宙学认为，大爆炸后还是会发生对称性破缺的，让物质粒子比反物质略多那么一点点。），AMS-02还能帮助人们探索暗物质，并更好地测定高能宇宙线能谱。这最后一条用途还算直观，至于暗物质研究，这是因为一类名叫中性微子的暗物质理论认为，此类粒子彼此相撞时就会产生额外的高能带电粒子。AMS-02还真的在10 GeV到250 GeV的能段中发现了正电子比例超乎标准模型预言的上升，进一步证实了先前PAMELA与费米伽玛射线空间望远镜取得的低置信度结果，所以丁肇中认为，这是暗物质粒子特性的铁证。只是让正电子数量增多还有其他更为平凡的途径，如近域脉冲星之类，并非所有的研究者都赞同此等的论断。所以要想确认暗物质真身，系统的巡天以及更多的粒子探测数据积累仍旧是必需的。在瑞士日内瓦组装完毕的AMS-02。（图片提供：Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA）CALET：暗物质之谜与其他去年夏天方才升空的量能器望远镜（CALET）研究目标的吸引人程度并不亚于AMS-02：捕获暗物质的踪影。这台仪器也能够测定宇宙线的电荷和能量，同时描绘出粒子在探测器中运动的轨迹。它的探测对象主要是弱相互作用大质量粒子（WIMP），也就是一类自身取反的奇特粒子。故而当两个WIMP相遇时，就会发生湮灭，并伴以正负电子/质子对以及高能光子。与AMS-02类似，CALET也要搜寻这些湮灭产物相对理论预言的超出。与LUX、XENON100等直接搜索暗物质的地面实验以及AMS-02联手，这架望远镜正在为解密暗物质（至少是限制WIMP模型）贡献力量。加拿大机械臂正在从H-II白鹳号货运飞船中取出CALET。（图片提供：NASA）同样类似于AMS-02，CALET的另一个科学目标就是确定宇宙线的电子能谱，以勾勒出银河系内近域空间中的粒子加速场所以及传播路径。比如倘或数据中出现了一个难以用暗物质解释的信号，或许就意味着邻近的宇宙线源头。要知道，准确描述宇宙线不只具备重大的基础科学价值，更是未来长期的太空生活或旅行所需的必备知识。这样看来，CALET的工作在将来所能波及的绝不限于暗物质本身。MAXI：扫描高能宇宙全天X射线监测照相机（MAXI）之前在介绍众多参与过伽玛暴监测的卫星时略有提及，那时它还刚刚投入使用。与AMS-02或CALET找寻的奇特粒子现象相比，MAXI所从事的任务可能更接近大多数人印象中的天文学——巡视X射线天空，并记录其中的变化。这组由14台狭缝照相机组成的阵列每天随国际空间站的运行扫描全天16次，记录下上千个X射线源的变化。到现在为止，MAXI也称得上空间站所有天文项目中产出最为丰硕的一项。日本宇宙航空研究开发机构希望号实验舱外的MAXI。（图片提供：NASA）MAXI作出的发现也涉及很多方面，包括多起伽玛射线暴、X射线双星的爆发、恒星的X射线耀发、X射线新星、恒星的黑洞潮汐瓦解等等，不一而足。甚至在这台仪器启用后，新发现的黑洞中有一半要记在它的名下。在这林林总总的成果中，尤其值得一提的是小麦哲伦云中的一起特别的新星事件，这个由一颗白矮星与一颗Be星组成的系统在爆发后摇身化作超亮软X射线暂现源MAXI J0158–744，而MAXI捕获了新星最开始阶段的变化。鉴于这样的系统有望充当Ia型超新星的前身，其中的深远意涵不言自明。MAXI的气体狭缝照相机出光之时在空间站的一个轨道周期内获取的X射线天空图。（图片提供：JAXA）Solar：跟踪太阳的能量输出用于监测太阳绝对辐照度的Solar系列总共包括3架仪器，分别是太阳变化与辐照度监测仪（Solar-SOVIM）、太阳能谱辐照度监测仪（Solar-SOLSPEC）以及太阳自动定标极紫外/紫外光谱仪（Solar-SOLACES），它们都安装在欧洲空间局的哥伦布号实验舱之外。三台仪器的侧重点有所不同，SOVIM用于在近紫外到近红外波段测量太阳的能谱辐照度以及总辐照度的变化；SOLSPEC的任务与前者有些类似，但光谱覆盖范围更宽；SOLACE也是要测量太阳的能谱辐照度，但观测波段集中于紫外，而且还能提供中等谱分辨率的信息。通力合作的话，它们能够涵盖16到3080纳米的宽波段。由于目的只在于测光，Solar的仪器结构都不算太复杂。SOVIM的核心是绝对辐射计外加三通道滤镜，SOLSPEC和SOLACES都以光栅为主体。Solar仪器组的结构示意。（图片来源：Schmidtke et al. 2006）在太空中观测太阳的最大好处就是避开了大气的干扰，因此测量的稳定性以及光谱覆盖范围均较地面为佳。而太阳辐照度的空间监测也是认识太阳在短期和长期内的光度演化的必备手段。再结合其他卫星提供的图像等信息，就有望进一步了解太阳（以及其他类似恒星）的活动规律。此外，太阳辐射的变化同样是追溯地球气候演变的重要信息。所以Solar的工作看似简单，实则意义深远。ExHAM-星际碳质固体实验：与前面介绍的空间天文观测仪器不同，旨在研究星际尘埃化学演化与组分的ExHAM项目应该归属实验天文学一类。这里所说的星际尘埃富含碳元素，源自濒死恒星的抛射物，在宇宙之中无处不在，但人们至今不知道它们的确切特性，所以也就阻碍了对恒星生命循环的研究。ExHAM就是要将人工合成的尘埃颗粒置于太空环境中，来构筑实验室与天体环境之间的桥梁。所以ExHAM实验分成两个部分，首先研究者要在实验室中合成模拟碳粒，然后令部分样本暴露在地面模拟的宇宙环境下以作为参考。而另一部分样本被送入太空，安装在空间站的外露式实验平台上。在经历太空环境较长时间之后，直接暴露在外的样本被取回，并送到地面进行分析。由此得到的结论将为含碳化合物所发生的反应带来新知。NanoRacks-NanoRocks：找寻行星形成的线索在太阳系这样的行星系中，岩态天体是经由尘埃碰撞而形成的，而碰撞的关键一步就是从毫米级熔融球粒生长为固态小块物质，并逐渐积累成较大的星子，但这其中的细节却并不为人所知。NanoRacks-NanoRocks实验的宗旨即是模拟这种尘埃经由相碰而增大的过程，促进行星形成理论的发展和完善。NanoRacks-NanoRocks的实验盘。（图片提供：University of Central Florida）NanoRacks-NanoRocks的设置是使用不同类型的颗粒样本，让它们在轨道微重力环境下发生低速碰撞，并利用碰撞视频开展分析。当一次实验数据全部回传后，地面控制者即发送指令开始下一次实验。这里之所以选择低速碰撞，是因为卡西尼号探测器在土星系统中目睹了光环粒子速度低至每秒1厘米的撞击，这应该是原行星盘中的常态。实验表明，以每秒几毫米的速度相撞的颗粒出现了成团现象，而减低碰撞弹性度的因素就是大颗粒表面覆盖的尘埃。除了行星科学，这些结论还能很好地帮助今后对月球或小行星等表面重力较低，且浮土层明显的天体的勘察。Platan-宇宙线：找寻低能重粒子旨在搜索源自银河系或太阳的低能重粒子的Platan实验要追溯到国际空间站建设的初期。这台仪器的架设目的也相当实际：在提啊看中，宇宙线辐射对空间站的威胁性不亚于微流星体或太空垃圾。为了更好地保护空间站上的居民和设备，我们有必要对来自银河系以及太阳活动的宇宙线粒子进行系统的探测，尤其是要将粒子探测和太阳活动联系起来。这台安装在俄罗斯星辰号服务舱外表面的探测器无法实时得出结果，只能在运行一段时间后被拆下，再带回地面分析。它研究的主要是宇宙线中铁族元素的重核子，而且能量只是在着实不算高的数十到上百MeV，但考虑粒子能谱呈幂律分布，这一能段的核子数量显然要远远多于危险性更大的GeV甚至更高能量的那一部分。另外，地球轨道上的微型颗粒也是Platan的关注点所在。 Platan宇宙线探测器的开启（左）与闭合（右）状态。（图片提供：NASA）流星：确定天外来客的成分每个人应该都对流星并不陌生。亮暗不一的光带划过天宇，却又转瞬即逝。而国际空间站上的流星（Meteor）实验却能够提供这些宇宙颗粒在地球大气中划过时的鸟瞰视角。它要为大气拍摄高清晰度视频与照片，并在其中寻找流星导致的亮斑。流星实验的照相机只允许可见光通过，这是因为铁、钙、钠、镁等小行星上常见的元素，其特征原子谱线都落在了可见光波段，所以只凭可见光谱确定流星体的主要成分足矣。按照原本的计划，流星实验设备要在2014年升空，之后使用两年。但当年8月轨道-3运载火箭的事故让这一计划受到了影响。只希望在不久的将来，能出现类似的替代品来接替它未竟的事业，让人们更好地认识来自外太空的访客。NICER：窥探中子星的内部即将在明年2月搭乘SpaceX公司的货运飞船前往国际空间站的中子星内部组分探测器（NICER）实际上是一架软X射线时变观测仪器。作为大质量恒星死后留下的残骸，脉冲星会发出周期性绝佳的射电波束已经是众所周知了，实际上它们也会发出可观的X射线辐射，其中的能谱和时变信息蕴涵着关于星体结构和组分的信息，而这也是现在人们认知较少的领域。NICER是第一架以中子星内部特性为研究目标的天文观测仪器，它要做的正是经由同时进行的精准的脉冲星时变测量以及周期分辨谱测量，来测量星体质量和尺度，并以此约束现有的中子星物态方程，从而促进高密度物理学与核子物理学理论的发展。为了实现这一目的，仪器上设置有由56台掠射式X射线望远镜以及相应的硅漂移探测器组成的时变记录仪，有能力解析出单个的X射线光子。每个轨道周期内，这台仪器都能完成对2到3个天体的观测。NICER时变探测器的外观，图中可见用于保护X射线光路的56枚遮阳板以及X射线探测器的外壳。（图片提供：NASA/Keith Gendreau）与空间站时变与导航技术验证实验（SEXTANT）一道，NICER还将为未来的太阳系探测器脉冲星自动导航技术铺路。这就需要获取精度极高的脉冲星光变轮廓信息。另外NICER还将与费米伽玛射线空间望远镜和MAXI合作，为后二者发现的有趣现象提供有效的后续研究。立方体卫星：从太空第一线出发国际空间站与空间天文学研究的关联不仅仅局限于空间站上安装的观测仪器或实验设备。相反，借助从希望号实验舱外探出的NanoRacks立方体卫星发射架，空间站还充当着航天港的作用，甚至还对微型卫星的商业发射开放。这种标准边长只有10厘米的小卫星通常先搭乘货运飞船前往国际空间站，然后再由效率奇高NanoRacks射入预定轨道，这样的流程已经成了例行公事。刚刚完成两颗立方体卫星发射后的NanoRacks发射架。（图片提供：NASA）这其中，今年5月发射的微型X射线太阳光谱仪（MinXSS）就是一颗以探讨太阳辐射对通信影响为主的微型卫星。由NASA赞助的MinXSS将接收来自太阳的软X射线辐射，之所以选择这一波段，是因为其中的光子恰好能够扰动地球高层大气，并干扰无线电通信和GPS信号的穿行。又由于软X射线直接与太阳大气的基本理化特性相关，它还能帮助我们解密太阳耀斑。可以预见，在未来若干年内，必然会有更多的天文学小卫星借助国际空间站这个前哨，前往太空更深处探查星空。国际空间站在2016年5月16日进行的立方体卫星发射，其中下方的一颗卫星即为MinXSS。（图片提供：NASA）内容来自 Bo Zhang's Homepage

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