他们用不到千分之一的成本，造一台和哈勃性能相当的望远镜|望远镜|地球
本文转载自公众号“科研圈”（ID： keyanquan）
SuperBIT 拍摄的“创生之柱”（Pillars of Creation），图片由可见光和紫外波段合成。这是鹰星云中的气体和尘埃，位于巨蛇座方向，距离太阳系约 7，000 光年。图片来源：SuperBIT team， from Romualdez et al。 （2018） SPIE 10702。
翻译 | 周舒义
编辑 | 戚译引
来源 | 科研圈（ID： keyanquan）
英国杜伦大学、加拿大多伦多大学和美国普林斯顿大学与美国航空航天局（NASA）、加拿大航天局（Canadian Space Agency）合作，建造了一台名为 SuperBIT 的新型天文望远镜。它由一个足球场大小的氦气球运载，在99.5% 质量分数的地球大气层之上飞行。该望远镜将于 2022 年 4 月首次投入使用，部署后将拍摄可与哈勃空间望远镜相媲美的高分辨率图像。多伦多大学博士生穆罕默德·沙班（Mohamed Shaaban）在 7 月 21 日星期三的英国皇家天文学会全国天文学会议（RAS NAM 2021）上发表了在线演讲，介绍 SuperBIT。
来自遥远星系的光芒需要经过数十亿年才能抵达我们的望远镜。在最后的万分之几秒里，光线必须穿过地球大气中的涡旋和湍流。我们观测到的宇宙图景会因此变得模糊不清。地基天文台建在高海拔地区，可以部分缓解这一问题，但迄今为止，只有把望远镜架设在空间，才能彻底摆脱大气层的影响。
超高压气球运载成像望远镜（Superpressure Balloon-borne Imaging Telescope，SuperBIT）镜面口径 0.5 米，由一个氦气球运到 40 千米的高空。氦气球容积 532，000 立方米，差不多有一个足球场那么大。
该设备在 2019 年的最后一次试飞中展现出非凡的指向稳定性，一个多小时内的指向变化幅度才不到三万六千分之一度。这会使望远镜能够获得像哈勃空间望远镜一样清晰的图像。
2016 年 6 月，SuperBIT 在 NASA 位于美国得克萨斯州的哥伦比亚气球科学设施（Columbia Scientific Balloon Facility）试飞。图片来源：Richard Massey / Durham University
此类项目前无古人，不仅因为它极度困难，还因为气球只能在空中停留数个晚上——对于一个雄心勃勃的实验来说，这时间实在太短了。不过，美国航空航天局最近开发了一种“超高压”气球，能够在充满氦气后保持数月。SuperBIT 计划于 4 月在新西兰的瓦纳卡（Wanaka）发射下一个持久存续的气球。乘着稳定的季风，它将环绕地球数周——夜间观测天空进行成像，白天则使用太阳能电池板为电池充电。
首台 SuperBIT 望远镜的建造和运行预算为 500 万美元（约合人民币 3，200 万元），成本仅为同类人造卫星的千分之一。这不光是因为气球要比火箭燃料便宜，还因为 SuperBIT 的有效载荷能返回地球并重新发射，这意味着它的设计可以在多次试飞中不断调整、改进。人造卫星必须一次性成功，因此通常具有（极其昂贵的）设计冗余，使用的技术必须经过以往太空任务的验证，往往是十年前的“古董”。现代数码相机每年都在迭代改进——所以开发团队赶在 SuperBIT 上次试飞的前几周为其购买了最前沿的相机。这一空间望远镜将会不断升级，在未来每次飞行中配备新的仪器。
哈勃空间望远镜难免会出现故障，总有一天它将无法修复，彻底坏掉。在那之后的 20 年里，欧洲航天局（ESA）和美国航空航天局开展的任务将只能在红外波长（如将于今年秋季发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜）或单光学波段（如将于明年发射的欧几里得天文台）进行成像。
届时，SuperBIT 将成为世界上唯一涵盖多色光学和紫外波段的高分辨率观测设施。项目团队已经筹到资金，计划将 SuperBIT 的望远镜口径从 0.5 米升级至 1.5 米（气球最大能承载口径约 2 米的望远镜）。从而将聚光能力提高十倍，再加上更广阔的镜头视角和更高的像素，这台仪器规模将会更大，表现甚至会比哈勃更好。SuperBIT 成本低廉，甚至可以批量建造，为世界各地的天文学家提供观测时间。
“新的气球技术使访问太空变得廉价、简单且环保，”沙班说，“SuperBIT 可以不断重新配置、进行升级，而它的第一个任务是观测宇宙中最大的粒子加速器——星系团之间的碰撞。”
SuperBIT 项目 2022 年这次飞行的科学目标是测量暗物质粒子的性质。虽然暗物质是不可见的，但天文学家描述了它弯曲光线的方式，这种机制被称为引力透镜。SuperBIT 将测试暗物质是否会在碰撞过程中减速。地球上的粒子对撞机无法对暗物质进行加速，以检验这个猜想，但这是理论预测中暗物质的一个关键特征，或许可以解释近期观测到的 μ 子的反常行为。
“穴居人可以把岩石敲击成碎片，观察它们的内在结构，”杜伦大学的理查德·梅西（Richard Massey）教授补充道，“SuperBIT 正在寻找暗物质的对撞。这两者异曲同工，你只需要一台太空望远镜就能看到它。”