学生制作的超压气球正在地球上空巡航寻找暗物质

高空气球最近引起了很多关注。今年 2 月，美国军方击落了一架可能由中国政府运营的间谍气球，以及一架“不明飞行物”，后来经证实，该气球很可能是一只爱好者的气球。

因此，当人们在 5 月初看到南半球出现另一个大型气球时，人们担心这可能是另一种间谍装置。事实上，它代表了天文学的未来：气球载望远镜无需离开平流层就能深入太空。

“我们向上看，而不是向下看，”普林斯顿大学物理学教授、美国宇航局超压气球成像望远镜 (SuperBIT) 团队负责人威廉·琼斯 (William Jones) 说。这架近 10 英尺高的望远镜于 4 月 15 日从新西兰瓦纳卡发射升空，在一个足球场大小的聚乙烯薄膜气球上已经绕南半球飞行了四圈。它的三个机载摄像机还拍摄了令人惊叹的狼蛛星云和触须星系图像，可与哈勃太空望远镜的图像相媲美。SuperBIT 的发现可能有助于科学家解开宇宙最大的谜团之一：暗物质的性质，暗物质是一种理论上看不见的物质，只能通过其对可见物体的引力作用才能知道。

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科学家可以利用詹姆斯·韦伯太空望远镜等下一代天文台来研究暗物质，依靠它们的大镜子和位于地球湍流大气层之外的位置来获得极远天体的原始图像。但开发太空望远镜并用强大的火箭发射它的成本很高。例如，将哈勃望远镜送入轨道的成本约为 15 亿美元，将詹姆斯·韦伯太空望远镜送至拉格朗日点 2 的成本接近 100 亿美元。

SuperBIT 的发射费用仅为 500 万美元——之所以降价，是因为气球相对于火箭来说价格较低，而且技术工人建造该系统的门槛较低。

“整个项目都是由学生管理的。这就是这些项目如此灵活、能够用有限的资源做这么多事情的原因，”琼斯说，他指的是普林斯顿大学、英国杜伦大学和加拿大多伦多大学之间的 SuperBIT 合作项目。“我们没有全职从事这项工作的专业工程师或技术人员——只有研究生才有时间全身心投入到这个项目中。”

SuperBIT 并不是第一台用气球运载的望远镜：这一荣誉属于 Stratoscope I，它是由普林斯顿的另一个天文学小组于 1957 年建造的。但 SuperBIT 是 NASA 20 年来对所谓超压气球的研究所促成的少数新天文台之一。这项工作最终在 2015 年开始的试飞和 SuperBIT 的开创性发射中达到顶峰。

传统气球内含有升力气体，当太阳加热升力气​​体时，气体会膨胀，气压也会随高度变化而变化。这会改变气球的体积，进而改变气球的浮力，使其无法长时间保持恒定的高度。

超压气球将升力气体（通常是氦气）保持在主气囊内加压，这样体积和浮力在白天和夜晚都保持不变。然后，气球使用主气囊内或下方的较小气球（气囊）作为压舱物，填充或排空压缩空气袋以改变高度并有效地操纵飞船。

携带 SuperBIT 的超压气球可以保持 108,000 英尺的高度（高于地球大气层的 99.2%），同时携带 3,500 磅的科学仪器有效载荷。与 JWST 和其他任务不同，SuperBIT 望远镜的目的不是观察更远或更广阔的宇宙，也不是探测系外行星。相反，它正在寻找一种更普遍和更神秘的实体的迹象。

“暗物质不是由我们日常观察中熟悉的任何元素或粒子构成的，”琼斯说。话虽如此，我们周围有很多暗物质：它可能占宇宙的 27% 左右。“我们通过它对我们能看到的普通物质（恒星和气体等）的引力影响来了解这一点”，琼斯解释说，这些物质占宇宙的 5% 左右。

科学家估计，宇宙剩余的 67% 由暗能量构成，暗能量是另一种神秘的物质，不能与暗物质混淆。暗物质的引力可能有助于将星系拉到一起并构成它们在宇宙中的分布方式，而暗能量可能是整个宇宙加速膨胀的原因。

研究人员通过观察质量巨大的星系团来探测暗物质可能存在的极端力量，并计算出暗物质的存在，星系团的引力会弯曲来自更远物体的光——这种技术被称为引力透镜。天文学家可以使用这种方法将星系变成一种放大镜，以观察比通常更远的物体（詹姆斯·韦伯太空望远镜擅长这一点）。它还可以揭示构成“透镜”的星系团的质量，包括它们周围的暗物质量。

“在测量了暗物质的数量和位置之后，我们试图弄清楚暗物质是什么，”SuperBIT 科学团队成员、杜伦大学物理学教授理查德·马西 (Richard Massey) 表示。“我们通过观察宇宙中暗物质团块碰巧相互碰撞的几个特殊位置来做到这一点。”

这些地方包括两个大型天线星系，它们正在距离地球约 6000 万光年的地方发生碰撞。Massey 和其他人使用哈勃望远镜研究了天线星系，但“哈勃的视野太小，无法看到暗物质的巨大碰撞，”Massey 说。“所以，我们不得不建造 SuperBIT。”

与哈勃望远镜一样，SuperBIT 可以看到可见光至紫外线范围内的光，即波长为 300 至 1,000 纳米的光。但是，哈勃望远镜最宽的视野不到十分之一度，而 SuperBIT 的视野则宽了半度，因此可以一次拍摄更宽的天空区域。尽管它的镜子较小（直径为半米，而哈勃望远镜为 1.5 米）。

与太空望远镜相比，SuperBIT 还有另一个优势。SuperBIT 从开发到部署所需的时间更短，而且无需复杂的配件来保护它免受辐射、极端温度和太空垃圾的侵害，因此 SuperBIT 团队能够使用比现有太空望远镜更先进的相机传感器。琼斯说，哈勃的广角相机 3 包含一对 800 万像素的传感器，而 SuperBIT 包含一个 6000 万像素的传感器。气球携带的望远镜还设计为在每次飞行结束后借助降落伞飘落，这意味着科学家可以从地面定期更新该技术。

“我们目前正在与 SuperBIT 进行实时通信，在接下来的 100 天内，每天 24 小时不间断，”Massey 说道。“它刚刚完成了第四次环球旅行，经历了南极光、安第斯山脉的湍流以及太平洋中部的静谧寒冷。”据 Jones 称，该团队预计将在 8 月底的某个时候回收该系统，地点可能是阿根廷南部。

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SuperBIT 可能只是一个开始。NASA 已经资助了千兆像素级气球成像望远镜 (GigaBIT) 的开发，该望远镜的镜面将与哈勃望远镜一样宽。它不仅比任何探测相同光谱的太空望远镜更便宜，而且“比近期可能进入太空的任何望远镜都强大得多”，琼斯说。

至于 SuperBIT 是否能破解暗物质的奥秘，现在还言之过早。经过几次飞行后，研究生们将不得不仔细研究该项目的发现。

“这些数据会告诉我们什么？谁知道呢！这很令人兴奋，但也是不可告人的秘密，”梅西说。“经过 2000 年的科学研究，我们仍然完全不知道宇宙中最常见的两种物质是什么，也不知道它们的行为方式。”