高空气球最近受到了很多关注。今年 2 月，美国军方 击落了 一个可能由中国政府操作的间谍气球 以及一个后来被证实很可能是 业余气球 的“不明飞行物”。
因此，当人们在 5 月初在南半球发现 另一个大型气球 时，有人担心它可能是另一个间谍设备。然而，它代表着天文学的未来：一种不离开平流层就能深入太空的机载望远镜。
“我们在向上看，而不是向下看，”普林斯顿大学物理学教授、NASA 超压气球成像望远镜（SuperBIT）团队负责人 William Jones 说。这个近 10 英尺高（约 3 米）的望远镜于 4 月 15 日从新西兰旺阿努伊发射，已在一个足球场大小的聚乙烯薄膜气球上 绕南半球飞行了四圈。其三个机载摄像头还 拍摄了媲美哈勃太空望远镜的仙女座星云和触角星系的惊人图像。SuperBIT 的发现可能有助于科学家解开宇宙中最伟大的奥秘之一：暗物质 的本质，这是一种理论上看不见的物质，仅从其对可见物体的引力效应中得知。
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科学家可以使用 詹姆斯·韦伯太空望远镜等下一代观测设备来研究暗物质，依靠它们的大型镜面和位于地球湍流大气层之外的位置，获得极其遥远天体的清晰视野。但开发太空望远镜并用强大的火箭发射它非常昂贵。例如，将哈勃望远镜送入轨道花费了约 15 亿美元，而 将 JWST 送往拉格朗日 L2 点 则花费了近 100 亿美元。
SuperBIT 的发射成本仅为 500 万美元——这主要是因为气球相比火箭便宜，而且技术人员的入门门槛也较低。
“整个项目由学生们负责。这使得这样的项目非常敏捷，并且能够以有限的资源完成这么多工作，”琼斯说，他指的是普林斯顿大学、英国杜伦大学和加拿大加拿大多伦多大学之间的 SuperBIT 合作。“我们没有全职工作的专业工程师或技术人员——只有研究生有这个奢侈，能够将全部精力投入到这个项目中。”
SuperBIT 并不是第一个通过气球升空的望远镜：这个荣誉属于 1957 年由普林斯顿大学的另一个天文学团队建造的 Stratoscope I。但 SuperBIT 是 NASA 在过去 20 年里对所谓的“超压气球”进行研究而得以实现的少数新型观测设备之一。这项工作最终在 2015 年开始的试飞以及 SuperBIT 的开创性发射中达到了顶峰。
传统气球包含一种提升气体，它会随着太阳加热以及大气压力随高度变化而膨胀。这会改变气球的体积，进而影响气球的浮力，使其无法长时间保持恒定高度。
超压气球将提升气体（通常是氦气）保持在主外壳内加压，从而使体积和浮力在白天和黑夜之间保持恒定。然后，气球使用一个位于主外壳内部或下方的小型气球（副气球）作为压载物，通过填充或排空压缩空气来改变高度，从而有效地控制方向。
承载 SuperBIT 的超压气球可以保持在 108,000 英尺（约 33 公里）的高度（高于地球大气的 99.2%），同时携带 3,500 磅（约 1.6 吨）的科学仪器载荷。与 JWST 和其他任务不同，SuperBIT 望远镜的目的不是看得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、更神秘的实体存在的迹象。
“暗物质不是由我们在日常观察中熟悉的任何元素或粒子组成的，”琼斯说。尽管如此，它在我们周围有很多：它可能占宇宙的 约 27%。“我们通过它对我们能看到的普通物质——恒星、气体等——产生的引力影响来了解这一点，”琼斯解释说，普通物质约占宇宙的 5%。
科学家估计，宇宙剩余的 67% 是由 暗能量 组成的，这是另一种同样神秘的物质，不应与暗物质混淆。暗物质的引力可能有助于将星系拉拢在一起并构建它们的分布方式，而暗能量可能导致整个宇宙加速膨胀。
研究人员通过观察 暗物质可能存在的极端力 来探测暗物质，并通过观察引力弯曲从更远天体发出的光线的巨大星系团来计算其存在——这是一种称为引力透镜的技术。天文学家可以使用这种方法将星系变成一种放大镜，以看到比平时更远的天体（JWST 在这方面表现出色）。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含量。
“在测量了暗物质有多少以及它在哪里之后，我们正在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 Richard Massey 说。“我们通过观察宇宙中少数几个暗物质团块恰好相互碰撞的特殊地点来做到这一点。”
这些地点包括 两个巨大的触角星系，它们正在距离地球约 6000 万光年的地方碰撞。马西和他的同事们曾用哈勃望远镜研究过触角星系，但他表示，“它的视场太小，无法看到暗物质的巨大碰撞。”“所以，我们不得不建造 SuperBIT。”
与哈勃望远镜一样，SuperBIT 也能看到可见光到紫外线范围的光，即 300 至 1000 纳米的波长。但哈勃望远镜最宽的视场不到十分之一度，而 SuperBIT 的视场更宽，为半度，这使得它能够一次成像更广阔的天空。尽管如此，它还有一个更小的镜面（直径 0.5 米，而哈勃望远镜为 1.5 米）。
SuperBIT 相较于太空望远镜还有另一个优势。从开发到部署的时间更短，且不需要复杂的附件来保护它免受辐射、极端温度和太空碎片的侵害，SuperBIT 团队得以使用比现有太空望远镜更先进的相机传感器。琼斯说，虽然哈勃的广域相机 3 包含一对 800 万像素的传感器，但 SuperBIT 包含一个 6000 万像素的传感器。这个气球携带的望远镜在每次飞行结束时还会设计成通过降落伞下降，这意味着科学家可以定期从地面更新技术。
“我们目前正在 实时与 SuperBIT 通信，每天 24 小时，持续 100 天，”马西说。“它刚刚完成了第四次环球飞行，经历了南极光、安第斯山脉上空的湍流，以及太平洋中部上空的宁静寒冷。”琼斯表示，该团队预计将在 8 月下旬某个时候回收该系统，很可能是在阿根廷南部。
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SuperBIT 可能只是一个开始。NASA 已经资助了一个 Gigapixel 级气球成像望远镜（GigaBIT）的开发，它将配备一个与哈勃望远镜一样宽的镜面。琼斯表示，它不仅有望比任何探测相同光谱光线的太空望远镜都便宜，GigaBIT 的性能也将“远超短期内可能进入太空的任何设备”。
至于 SuperBIT 是否会解开暗物质的谜团，现在还为时过早。经过几次飞行后，研究生们需要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！这正是它的令人兴奋之处——也是它令人内疚的秘密，”马西说。“经过 2000 年的科学发展，我们仍然完全不知道宇宙中最常见的两种物质是什么，或者它们是如何运作的。”
