国际空间站中的天文设备

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种类繁多的空间天文望远镜、天文卫星以及空间探测器皆为如今天文仪器中的明星，它们摆脱了地球的束缚，在宇宙中探索宇宙，在空间中研究空间。不过还有一些天文探测装置依托了更大的空间平台，这就是搭载在国际空间站ISS上的天文设备。

执行STS-134任务的奋进号航天飞机已经点火发射，向ISS进发。版权／NASA

1998年，国际空间站（International Space Station，ISS）的首个模块曙光号功能性货舱（Functional Cargo Block，又名Zarya）发射升空。20多年以来，ISS一直保持着良好的运行状态，为生物学、天文学、空间科学、气象学、地球遥感等方向的研究项目提供了一个绝佳平台，完成了大量科学实验。在ISS部署天文探测器能够有效排除地球大气层干扰，拥有便于维修等优势。此外，在太空中便于实现微引力、极端温度、极端压强、宇宙辐射等在地球上难以创造的实验环境。

ISS上搭载了多个天文望远镜和实验设备，包括全天候X射线图像监测仪（The Monitor of All-sky X-ray Image，MAXI）、中子星内部组成探测器（The Neutron star Interior Composition Explorer，NICER)、第2代的阿尔法磁谱仪（Alp ha Magnetic Spectrometer，AMS-02）、量热电子望远镜（Calorimetric Electron Telescope，CALET） 、太阳监测天文台（SolarMonitoring Observatory，SOLAR）。下文将主要对这五个设备的基本情况进行简单的介绍。

►全天候X射线图像监测仪MAXI（运行中）

设备介绍：MAXI于2009年7月15日由奋进号航天飞机发射升空，是ISS安放的首个高能天体物理设备，被安装在希望号实验舱的舱外实验平台上。MAXI的主要科学目标包括迅速捕捉突发的X射线暂现事件并对各个国际天文团队发出预警、为其它天文设备的后随观测提供目标，以及持续监测已知X射线源的流量波动。为了实现这些目标，MAXI上搭载了两种大视场的半圆弧形X射线狭缝相机。其中一种设备为气体狭缝相机（Gas Slit Camera, GSC），该设备使用X射线气体正比计数器，覆盖能量范围为2-30keV（千电子伏特）；另外一种设备为固态狭缝相机（Solid-state Slit Camera，SSC），该设备使用X射线CCD，覆盖能量范围为0.5-12keV）。在ISS绕地球运行的93分钟内，MAXI能够基本实现对全天360度的扫描。

科学发现：迄今为止，MAXI在搜寻新的X射线源上取得了丰硕的成果，数年间发现了几十颗新星，包括MAXI J1659-152、MAXI J1305-704、MAXI J1543-564等黑洞，MAXI J0556-332、MAXI J1409-619、MAXI J1647-227等中子星，以及MAXI J0158-744等白矮星，以及一些目前暂时无法认证本质的源。

实验室中的MAXI。版权／NASA

►中子星内部组成探测器NICER（运行中）

设备介绍：NICER是一个专门研究中子星的有效载荷，它着眼于对引力、物质密度和电磁场中极端现象进行基本调查，致力于揭示中子星的内部组成、动力学过程和辐射机制等物理问题。NICER于2017年由SpaceX猎鹰9号火箭发射升空，目前搭载于ISS的快速后勤舱（ExPRESS Logistics Carrier，ELC）平台上。NICER的主要科学设备为X射线计时仪器（X-ray Timing Instrument，XTI），它工作的能量范围在0.2-12 keV，其有效面积达1900 平方厘米（1.5 keV附近）。XTI是由56组相互对齐的X射线聚焦光学设备（X-ray concentrator，XRC）和硅偏移探测器（silicon drift detector，SDD）组成的阵列。这种XRC/SDD的组合提供了高信噪比的光子计数能力，并且GPS的绝对计时精度优于300纳秒，保证了高时间分辨率、高灵敏度的X射线测光和光谱测量。

科学发现：自NICER发射升空后的五年间，天文学家利用它积累的观测数据取得了许多重要的科学成果。例如NICER在4U 1728-34脉冲的尾部发现了异常大振幅的振荡，均方根振幅达到51.7±9.5%。它在4U 1820-30的X射线暴中发现了由中子星引力场导致的红移的信号。NICER跟踪了X射线双星1A 0535+262一次强爆发的完整过程，也见证了中子星IGR J1706.2-6143上长时间热核爆发后的恢复过程。

位于ISS上的中子星内部组成探测器NICER。版权／NASA

►阿尔法磁谱仪AMS-02（运行中）

设备介绍：AMS是一项备受瞩目的太空粒子物理实验，由诺贝尔物理学奖得主丁肇中主持，旨在搜寻宇宙中反物质、暗物质存在的迹象，并对宇宙线环境进行精确探测。初代实验设备AMS-01曾于1998年飞向太空，它是第一个在太空中运行的大型磁谱仪，但任务时间仅有短短的10天。目前搭载于ISS的AMS-02是由16个国家56个研究所组成的国际合作团队运作，由美国能源部赞助。AMS-02于2011年搭乘奋进号航天飞机升空，它利用了一个巨大的低温（约1.8K）超流氦超导磁体，在1立方米的体积内产生强度约为0.8特斯拉的匀强磁场，使得通过探测器的宇宙线粒子的轨迹发生相应的偏转。

科学发现：该仪器每秒可以记录大约1000条宇宙线，早在2012年7月，BBC就曾报道称AMS-02已观测到超过180亿条宇宙线。它的科研成果涵盖了粒子物理的多个方面。2013年3月，AMS发布了首个重要成果，它对0.5-350GeV（吉电子伏特）能量范围内的初级宇宙线中正电子占比进行了精确测量。2014年它公布了对0.5-500 GeV能量范围的初级宇宙线中正电子占比进行的高统计测量。2015年它发布了对能量为1 GeV-1.8 TeV（太电子伏特）的初级宇宙线中质子流量的精细测量结果。

刚刚安装完毕的阿尔法磁谱仪AMS。版权／NASA

►量热电子望远镜CALET（运行中）

设备介绍：量热电子望远镜CALET于2015年正式启动，主要用于搜寻暗物质存在的踪迹并观测高能宇宙线的能谱。它能够很好地识别不同粒子，追踪电子、质子、原子核和伽马射线的轨迹，并测量它们的方向、电荷和能量，分辨宇宙线粒子的成分，还能直接测量最高能量的宇宙线电子谱，这些工作有助于我们理解银河系附近高能粒子加速源的性质。

与光学望远镜不同，CALET以扫描的模式运行。当带电粒子进入CALET的视场后，它的探测器系统将被触发，分别识别、测量并记录入射粒子的电荷、轨迹、能量等数据。随后这些数据将被传输到地面接收站进行进一步分析。

科学发现：2017年11月，CALET团队发布了它们获得的10 GeV-3 TeV宇宙线电子和正电子的能谱，这也是CALET升空以来获得的首个宇宙线方面的成果。截至目前，CALET已经辅助天文学家深入探索了许多热门的高能天体物理学谜题。

位于ISS的量热电子望远镜CALET。版权／NASA

►太阳监测天文台SOLAR（已结束）

设备介绍：太阳监测天文台SOLAR于2008年搭载亚特兰蒂斯号航天飞机升空，被放置在欧空局哥伦布号实验舱的外部。它由太阳变化和辐照度监测器（Solar Variability and IrradianceMonitor，SOVIM）、太阳光谱辐照度测量（Solar Spectral irradiance measurements,SOLSPEC）、自动定标极端紫外和紫外光谱仪（Auto-calibrating Extreme Ultraviolet andUltraviolet spectrometers，SOL-ACES）三个主要的科学仪器组成。

科学发现：三台仪器协同作用，在17纳米至100微米的宽带范围内监测太阳流量变化，提供近紫外、可见和红外波段太阳光谱辐照度的详细测量数据，这些数据对于研究太阳特征、建模大气层等方面都非常重要，对太阳物理及恒星天体物理学的发展提供了帮助。该任务已经于2017年结束，最终在2020年2月3日从ISS上释放，并于2020年3月13日在太平洋上空的大气中烧毁，结束了耗时十年拍摄太阳的任务。

位于ISS的太阳监测天文台SOLAR。版权／NASA

我们生存的家园地球也是茫茫星海中平凡又独特的一员。除了搜寻太空，ISS也为人类提供了从太空中回望、探索地球的独特视角。在ISS部署了多个进行观测遥感实验的仪器，它们被用于收集来自地球海洋、大气和陆地表面的数据。

例如，轨道碳天文台3号（Orbiting Carbon Observatory-3，OCO-3），由三个高分辨率的光栅光谱仪组成，被用于监测地球大气中二氧化碳含量。平流层气溶胶和气体实验（Stratospheric Aerosoland Gas Experiment，SAGE-III）针对性地研究臭氧，它会测量臭氧在地球大气中的损失量。微型极端宇宙空间天文台（Mini ExtremeUniverse Space Observatory, Mini-EUSO）记录了来自地球的紫外辐射。全球生态系统动力学调查（Global Ecosystem DynamicsInvestigation，GEDI）可用于探索气候和土地利用率的变化对生态系统的影响。

就在今年1月，NASA刚刚宣布ISS的运行时间将延长至2030年。预期在2031年1月，ISS将脱离轨道，坠入宇宙飞船的“墓地”。期待在未来的10年内，ISS能够给我们带来更多突破性的发现。

来源：中国国家天文

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