SuperBIT——乘著氣球上天的望遠鏡

原標題：SuperBIT——乘著氣球上天的望遠鏡

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空間望遠鏡太貴？沒關係，熱氣球望遠鏡了解一下

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NASA的一個小目標

說起NASA的航空航天任務，大家耳熟能詳的都是像哈勃、國際空間站、阿波羅計劃這樣的大手筆。不過，這種大項目大多是幾年十幾年才得一見的，在平時的NASA，更常見的往往是一些相對小型的項目。

今天我們要介紹的主角，就是這樣一個「小角色」——SuperBIT。當然，兩百萬美元的預算其實也並不算少，只不過在NASA過去與未來的各個大項目的光環之下，我們只能稱之為「小」。

圖一：SuperBIT進行試飛

圖片來源：https://sites.physics.utoronto.ca/bit

SuperBIT全稱為Super-pressure Balloon-borne Imaging Telescope，可譯為「超壓力氣球運載成像望遠鏡」，是NASA下屬的噴氣推進實驗室JPL與普林斯頓大學和多倫多大學等科研機構共同開發的望遠鏡項目。

顧名思義，SuperBIT是一枚將要搭乘熱氣球飛到大氣層外沿進行觀測的望遠鏡。

圖二：NASA的超壓力氣球

圖片來源：https://sites.wff.nasa.gov/code820/spb.html

SuperBIT將搭載一枚0.5米口徑的望遠鏡——您可能會啞然失笑，在如今動輒8米12米地基望遠鏡的時代，0.5米的口徑似乎已經不夠看了吧？請先不要急著下結論。

SuperBIT設計原型所含的CCD尺寸為6000x4000像素，有效視野能達到0.11平方度，這大約是哈勃望遠鏡先進巡天照相機HST-ACS的36倍，而它的最終目標是達到0.4平方度。

圖三：SuperBIT與哈勃ACS的視野大小對比示意圖

圖片來源：NASA/JPL

此外，SuperBIT的觀測波段在300至1100納米，這也與大多數光學望遠鏡的有效波段有很大程度的重疊。

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它的優點？

在詹姆斯韋伯望遠鏡都將要升空替代哈勃的時代，SuperBIT並不出彩的參數似乎也帶來了人們對它功用的質疑。

不過，如果您對於天文觀測略知一二的話，那麼應該能夠理解「實際觀測質量並不是完全由望遠鏡的硬體參數決定的」這樣一個道理。

誠然，如果在同樣的觀測地點和觀測環境下，一枚0.5米的望遠鏡的成像質量是一定不如一台8米的望遠鏡的。不過，如果這枚0.5米的望遠鏡能夠穿越大氣層，那麼，你將會看到一幅不一樣的景象。

眾所周知，在地基天文台選址的過程中，最重要的指標之一就是「視寧度」——描述由於受到大氣湍流而造成觀測目標變模糊和閃爍的物理量。之所以像夏威夷和智利這些地方會成為天文台聚居的地方，一個很重要的原因就是因為這些台址的視寧度極好。

圖四：8米級昴星團望遠鏡（左）與哈勃空間望遠鏡（右）對於同一對目標的成像效果。可以看出，由於大氣層的存在，在昴星團望遠鏡的成像中，兩個星系產生了很明顯的混合(blending)效應

圖片來源：W. Dawson+ 2016

但是，視寧度再好的台址也比不過大氣層以外，這也是為什麼科研工作者十分期待JWST、WFIRST、Euclid這些空間望遠鏡的原因。

而這些空間望遠鏡造價不菲且維護成本極高，相比之下，SuperBIT能獲得近似於空間望遠鏡的視寧度，而且造價又很低廉，用通俗的話講就是性價比非常高。

圖五：SuperBIT原型機第一視角試飛照片

圖片來源：https://sites.physics.utoronto.ca/bit

另外一個大氣層帶給天文觀測的困擾就是大氣層對於可見光的吸收，由於波長越短的光線在傳播過程中越容易散射，地基光學望遠鏡在300~400納米附近的波段可觀測到的信號會很弱。不論海拔多高的台址，這種效應都是無法避免的。

而位於大氣層之上的SuperBIT能夠避免這種缺陷，使其從300到1100納米波段的信號都近乎完美。

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科學家們將用它來做什麼？

俗話說，尺有所短，寸有所長。SuperBIT並不是任何現存或未來的望遠鏡的替代品，我們更需要的是它們之間相互配合相輔相成。

根據JPL的研究員J. McCleary博士介紹，SuperBIT將在短短百餘天的任務期間對至少180個星系團進行觀測和成像。

根據這些觀測數據，科研人員可以利用引力透鏡描繪出各個星系團的質量分布，並對其質量進行估算，這些測量將有助於我們對這些大尺度天體結構的真實質量進行深入了解。

圖六：星系團Abell3128的質量分布示意圖

圖片來源：J. McCleary+ 2015

此外，它還可以幫助像LSST這樣的大型地基巡天項目。得益於大氣層外極好的視寧度和完整的可見光波段分布，SuperBIT能夠分辨出在地基望遠鏡中相距很近而混合在一起的不同天體，也能夠幫助確認一些低紅移目標。

目前，在科研層面，SuperBIT正處於通過模擬來進行測試的階段。而在工程層面，它將於今年六月再次進行試飛，並計劃於2019年在紐西蘭發射升空。

如果明年你恰好在南半球旅遊，那麼說不定你能目睹到這顆巨大的熱氣球。

參考文獻：

McCleary, J., Cluster Lensing in SuperBIT, Brown Astrophysics Seminar Series, 4/19/2018

McCleary, J., dell』Antonio, I. & Huwe, P. Mass Substructure in Abell 3128. The Astrophysical Journal 805, 40 (2015).

https://science.jpl.nasa.gov/projects/SuperBIT/

https://sites.physics.utoronto.ca/bit

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作者：劉濱陽

編排：劉濱陽

校對：王晴

NASA於2016年升空的X-Calibur氣球運載望遠鏡

圖片來源：Washington University in St. Louis

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