图解空间望远镜发展史

文 / 叶楠

γ射线空间望远镜（下）

γ卫星

γ卫星是苏联和法国联合研制的一台γ射线空间望远镜，于1990年7月11日发射进入高375公里、倾角51.6度的地球轨道。早在1965年，苏联就提出了搭载于空间站上的γ射线望远镜计划，其间几经波折，项目最终于1979年获得授权，原计划于1984年发射，但最终推迟到了1990年。γ卫星共搭载了3台γ射线望远镜：γ射线-1，探测波段50MeV～6GeV；盘-M，探测波段20keV～5MeV；脉冲星X-2，探测波段2～25keV。γ卫星运行了一年半的时间，对银河系中心、天鹅座X-1、武仙座X-1、蟹状星云等进行了观测，还对处于活动高峰期时的太阳活动进行了监测。

康普顿γ射线天文台

阿瑟·康普顿（1892—1962）是美国物理学家（左图），1923年，康普顿发现当X射线或γ射线与物质产生相互作用后，因能量损失会发生波长变长的现象，这一发现后被称为康普顿效应，是对电磁波具有粒子性的有力证明。因这一发现康普顿获得了1927年的诺贝尔物理学奖。

以他的名字命名的康普顿γ射线天文台（CGRO）（右图）是美国“大型轨道天文台计划”四台空间望远镜之一，其他三台分别是：哈勃空间望远镜、钱德拉X射线天文台和斯皮策空间望远镜。CGRO于1991年4月5日从肯尼迪航天中心由阿特兰蒂斯号航天飞机送入轨道，整个发射质量达到17吨，是当时最重的空间天文仪器载荷。CGRO携带的4台探测器可以覆盖能量范围从20keV至30GeV的X射线和γ射线波段。CGRO一直工作至2000年，9年间它完成了第一次能量在100MeV以上的巡天观测，发现了271个新的射线源，共发现近2700次γ射线暴事件。但令人奇怪的是，在邻近星系几乎没有发现γ射线暴事件，都是来自于更加遥远的星系。

GRB 990123

1999年1月23日，CGRO记录到了一个强大的γ射线暴事件GRB 990123，整个过程持续了约90秒，在第25秒和40秒出现了两个明显的峰值爆发，在8分钟以后，辐射强度下降至峰值的百分之一。GRB 990123能够排名当时已发现所有γ射线暴强度的前2%。在CGRO发现此次事件之后，天文学家使用位于美国新墨西哥州的ROTSE-1光学望远镜迅速对准目标，在第22秒开始拍下目标的光学照片，其光学对应体从18等迅速增加到9等，光度增加约4000倍。第二天，位于夏威夷莫纳克亚山的凯克望远镜拍摄到了它变暗后的影像，此时已经降低到20等，通过光谱分析发现红移为1.6，可推算出距离约为90亿光年。这是人类第一次同时记录到γ射线暴与其光学对应体的亮度变化。

高能暂现源探测器2号

高能暂现源探测器2号（HETE-2）又名探险者79号（左图），在它之前，HETE-1在1996年发射升空后由于爆炸螺栓问题未与火箭脱离而失败。HETE-2于2000年10月9日由飞马座空射型运载火箭（右图）成功送入轨道，这是一颗非常小巧的卫星，发射质量只有124千克。HETE-2上装载有紫外、X射线和γ射线探测器，其主要工作是对γ射线暴进行多波段观测。它的定位精度达到了10角秒，还拥有一套网络系统可以快速调用地面望远镜进行光学和红外波段的观测。HETE-2有许多新的发现：GRB 030329的发现将γ射线暴同超新星爆发紧密联系在了一起；GRB 050709是人类发现的第一个具有光学对应体的短γ射线暴。

国际γ射线天体物理实验室

国际γ射线天体物理实验室（INTEGRAL）是欧空局、俄罗斯航天局和美国宇航局共同合作的一项γ射线探测任务。2002年，INTEGRAL从拜科努尔航天发射场由质子-K型火箭送入太空，这是欧空局历史上发射过的质量最大的科学载荷，达到了4吨。INTEGRAL的轨道高度为6300公里×157000公里，具有很高的偏心率。INGEGRAL主要携带有6套科学仪器：星载成像仪可对能量范围从15keV的硬X射线至10MeV的γ射线进行观测，角分辨率为12角分；光谱仪可探测到20keV至8MeV的辐射；γ射线暴探测器；X射线探测器；光学监视器；辐射监视器。INTEGRAL的观测灵敏度是当时最强的，时至今日，它还拥有足够的能量在继续服役。期待它有更多的发现。

格雷尔斯雨燕天文台

格雷尔斯雨燕天文台（Swift）（左图）是美国、英国及意大利合作的一项以γ射线暴为主要探测目标的空间探测任务。Swift携带有三套主要的观测仪器，分别可以在γ射线波段、X射线波段以及紫外/光学波段进行观测。右图为Swift在紫外/光学波段拍摄的第一张照片，照片里的天体为俗称风车星系的M101。当在巡天观测中发现疑似γ射线暴时，Swift可以迅速的将三套设备对准目标，同时观测数据也可以迅速传回地面，以便其他地基天文台进行配合观测，这种“迅速”与“Swift”所代表的涵义之一有共通之处，而“格雷尔斯”这个名字是在2018年1月加上的，为了纪念于2017年去世的Swift首席科学家尼尔·格雷尔斯。

第1000个γ射线暴

Swift于2004年11月20日发射升空，计划运行2年时间。从2005年2月它公布了首个发现开始，Swift取得了丰硕的观测成果：它发现过红移高达6.29的GRB 050904；爆发持续超过2000秒的GRB 060218；距离超过131亿光年的GRB 090429B等等。到2015年10月，距离升空11年后，Swift发现了GRB 151027B（左图），这是它发现的第1000个γ射线暴。时至今日，它依旧在560公里高度轨道上继续服役，可以说在所有在轨的γ射线空间天文台之中，Swift是工作时间最长、成果最为丰硕的一个。右图为Swift当时发现的1000个γ射线暴相对银道面分布图。

敏捷号γ射线天文卫星

敏捷号γ射线天文卫星（AGILE）是意大利航天局的一颗X射线和γ射线天文卫星。2007年4月23日，AGILE从位于印度的萨迪什·达万航天中心发射升空，轨道高度533公里×509公里，倾角只有2.47度，周期94.9分钟。AGILE是一个边长只有60厘米左右的六边形立方体，重约100千克，是有史以来最小巧的空间高能天体物理探测设备。AGILE具有出色的探测和成像能力，整个任务期间，发现了来自于天鹅座X-3的γ射线辐射；探测到来自于蟹状星云会产生变化的γ射线辐射；对粒子加速理论模型提出了新的挑战。它还首次从超大质量黑洞3C 454.3中发现γ射线耀斑，并对黑洞马卡良421进行了X射线和γ射线波段的联合观测。AGILE的快速数据处理系统可以在3到3.5小时内生成警报，是世界上最快的γ射线监视预警系统。

费米γ射线空间望远镜

费 米γ射线空间望远镜（FGST）（上图）于2008年6月11日发射升空，是由美国宇航局、美国能源部、法国、德国、意大利、日本和瑞典共同合作的一项太空任务，是 继INTEGRAL之后最敏感的γ射线空间望远镜。FGST主要携带有两套科学仪器：大视场望远镜能够同时对整个天空面积的20%金星γ射线探测，探测能量范围在20MeV至300GeV之间；γ射线宝监测仪由14个闪烁探测器构成，用来监测8keV至1MeV能量范围内的γ射线暴。下图是FGST从2009年至2013年间绘制的强于1GeV的γ射线辐射空间分布图。

FGST的新发现

2010年11月，FGST在银河系附近发现两个发出γ射线和X射线的气泡，后被命名为费米气泡，分别位于银河系中心上下侧，相对银心最远延伸25000光年。2012年，观测到有史以来来自于太阳耀斑的最强γ射线辐射，其能量是可见光的20亿倍，约40GeV。2013年4月，FGST探测到GRB 1130427A，能量达到940GeV，是迄今为止最强的γ射线暴，超过之前的最高纪录3倍。2015年，当激光干涉引力波天文台（LIGO）发现由两个黑洞并合引发的引力波事件GW150914时，FGST在引力波事件0.4秒后探测到50keV的弱γ射线爆发，其来源天区与GW150914重合，但尚无明确的证据证明此次γ射线爆发与GW150914有直接关系。