图解空间望远镜发展史

文/ 叶楠

紫外空间望远镜（上）

紫外天文学

1801年，德国物理学家约翰·里特发现将浸过氯化银的纸张暴露在可见光光谱的紫色端之外，能够比暴露在紫色光下更快地变暗。里特将其称为“氧化射线”，以强调这种化学作用，并与可见光光谱另一端的“加热射线”区分开来。随着对光谱认识的深入，这两个术语最终被紫外线和红外线取代。紫外线的波长范围在10 ～400 纳米之间，是一种人类看不见的光线。

我们能观测到的大多数恒星是相对比较冷的天体，它们发出的电磁辐射主要集中在可见光和红外波段。天体在紫外波段的照片与我们熟悉的在可见光下的样子大不相同，左图是太阳在可见光下的图像；右图是太阳在30 纳米波段的紫外图像，可清晰辨别耀斑和日冕物质抛射。

紫外线主要用来探测处于演化早期阶段的恒星，辨别星际介质的化学成分，寻找星系演化的相关信息，搜寻热白矮星等等。由于大气阻挡了大部分紫外线，所以紫外望远镜也需要置于太空之中。

轨道天文台计划

在空间天文台时代之前，基本都是依靠小型火箭飞出大气层之外来获取天体在可见光以外波段的观测信息。但是火箭一次飞行大约只能收集约5 分钟的数据。截至1968年，一共飞行40 多次的深空火箭只收集了约3 个小时的天体紫外测量数据。如果有一台空间望远镜呢？一天就可以完成比火箭多得多的观测数据。

1958年6月，美国国家科学院成立了空间科学委员会，由劳埃德·贝克纳（左图）担任主席。当年年底，委员会成员物理学家库珀里安（右图）提出了“轨道天文台（OAO）计划”提案。1959年，库珀里安被调到了戈达德太空飞行中心，担任天体物理部门的负责人，成为OAO 计划的项目科学家。1966年至1972年期间，共有4 颗OAO 卫星升空。

轨道天文台1号

1966年4月8日，轨道天文台1号（OAO-1）由阿特拉斯-半人马火箭送入高度近800公里的圆形轨道。但OAO-1 在与火箭分离仅仅7 分钟后，电源就出现了故障，无法为任何设备提供能源。3 天后，OAO-1 任务宣告失败。它是人类历史上第一台送入太空的望远镜，但却遗憾地没有完成任何观测。图为1965年，在纽约贝斯佩奇的格鲁曼飞行器工程公司，OAO-1 在一个无尘塑料帐篷里进行测试。

轨道天文台2号

1968年12月7日，轨道天文台2号（OAO-2）在卡纳维拉尔角空军基地36B 发射平台搭乘阿特拉斯-半人马火箭顺利进入太空。OAO-2 发射质量为2012 千克，是当时最大、最重、最复杂的不载人探测器，它携带的观测设备可对波长100 ～400 纳米的紫外波段进行观测。OAO-2 运行了4年时间，直到1973年2月，其间拍摄了约8500 张照片，覆盖了10%的天区面积，并公布了包括5068 颗天体的紫外星表。图为发射前OAO-2 在肯尼迪航天中心无尘室里进行测试。

哥白尼天文卫星

1970年11月30日，OAO 计划的第三颗卫星OAO-B发射升空，它携带了一台口径为97 厘米的紫外望远镜，但是由于整流罩分离故障，火箭没有达到轨道高度，导致坠毁。

1972年8月21日，OAO 计划的最后一颗卫星OAO-3成功升空，这颗卫星是OAO 卫星中最成功的一个，它一直工作到1981年2月，拍摄了数百颗恒星的高分辨率光谱和对X 射线的观测；还发现了几颗周期长达几分钟的脉冲星，为当时的脉冲星理论带来了新的挑战。

OAO-3 升空后的第二年——1973年，是哥白尼诞辰500 周年，OAO-3 后来也因此被命名为哥白尼天文卫星。左图是“哥白尼”近10年间观测到的目标。右图是2011年天文爱好者拍摄到的“哥白尼”过境照片。

猎户座1号

随着1969年7月美国阿波罗11号载人登月成功，苏联开始将载人航天的重点转移到空间站上。1971年4月19日，人类历史上第一个空间站“礼炮1号”由质子号运载火箭送入高度为200×222 公里的近地轨道。“礼炮1号”质量超过18 吨，长约16 米，最大直径约4 米，舱体容积超过90 立方米。

“礼炮1号”的中间位置搭载了一台名为“猎户座1号”的紫外望远镜，口径280 毫米，配合光栅光谱仪可以获得200 ～380 纳米范围紫外光谱。1971年6月6日，3 名航天员搭乘联盟11号飞船成功与“礼炮1号”对接，航天员维克多·帕特萨耶夫用“猎户座1号”拍摄了织女星和马腹一的光谱。3 名航天员在空间站停留了23 天，然而不幸的是，在“联盟11号”返回地球过程中，由于一个压力平衡阀过早打开，3 名航天员窒息而死。1971年10月11日，“礼炮1号”坠入大气层烧毁。

猎户座2号

1973年12月18日，2 名航天员搭乘联盟13号飞船进入太空，飞船上还搭载了一台名为“猎户座2号”的紫外空间望远镜（左图），口径240毫米，焦距1010毫米。“联盟13号”在太空中运行了近8天，“猎户座2号”拍摄了数千颗暗至13 等恒星的光谱，右图是其拍摄的行星状星云IC 2149 的紫外光谱，发现了铝和钛的发射线，这些元素在此之前从未在行星状星云中发现过。12月26日，“联盟13号”在着陆过程中遭遇暴风雪，但并未对航天员的人身安全造成影响。

远紫外相机/摄谱仪

远紫外相机/摄谱仪（UVC）是1972年4月由“阿波罗16号”带到月球上的一台紫外观测设备。UVC 就像一台小型家用望远镜（左图是UVC的同比例模型），它的口径只有75 毫米，焦距也是75 毫米，可以拍摄视场为20 度的照片，质量只有22 千克。它的工作波段在远紫外，光谱观测波长范围为30 ～135 纳米，成像观测波长范围为105 ～155 纳米。右图中在航天员约翰·杨身后可以看到被放置于登月舱影子下的UVC。

荷兰天文卫星

荷兰天文卫星（ANS）是由荷兰和美国合作的一颗紫外及X 射线空间望远镜，也是荷兰的第一颗人造卫星。ANS 于1974年8月30日从美国范登堡空军基地发射升空，由于一级火箭故障，卫星未能进入预期的500 公里圆轨道，取而代之的是近地点266 公里、远地点1176 公里、倾角98 度、周期99.2 分钟的太阳同步轨道。ANS 搭载了一套紫外观测设备和一套硬X 射线观测设备，其中紫外望远镜为一台口径22 厘米的卡塞格林式望远镜，工作波长155 ～330 纳米；X 射线观测设备工作能量范围为1.5 ～30keV。至1976年6月，ANS 正常工作了20 个月时间，对约400 个天体进行了18000 次观测。图为ANS 的备用卫星，没有发射，后被捐给了博物馆。

国际紫外探测器

国际紫外探测器（IUE）（左图）是美国、英国与欧空局合作的一台主要用于紫外光谱观测的空间望远镜。1978年1月26日，IUE 从卡纳维拉尔角发射升空。这是一颗地球同步轨道卫星，轨道高度26000 公里×42000公里、倾角28.6 度、周期23 小时56分。IUE 的主镜口径为45 厘米，采用RC 式光路结构。配备的两台紫外光谱仪分别工作在115 ～200 纳米和185 ～330 纳米波段。IUE 设计寿命只有3年，但直到1996年它还可以正常运行，不过由于当时的预算削减，不得不放弃了这颗功勋卓著的卫星。18年间IUE 共观测了约9300 个天体。右图是IUE 所有观测目标的银道坐标分布图。