气球望远镜的前世今生
由于空气稀薄，介于地球轨道与地面之间的高层大气为天文观测提供了理想环境。工作在这里的仪器避开了气流湍动以及水汽影响，提升了分辨率拓展了观测波段，与卫星相比开支则要廉价得多，还兼具仪器便于回收利用、研发周期较短等优势。柯伊伯与SOFIA这样的机载天文台外加探空火箭都是高空天文观测的尝试，而以高空气球为平台的气球望远镜虽然灵活性受限，却因为工作高度更高、工作时间更为持久，从20世纪50年代起一直受到诸多研究者的青睐。
高空气球通常以氢气或氦气来保持浮力，其典型飞行高度不到50千米左右，对应同温层的高层。除了部分项目可以借助南极洲夏季的极地涡旋滞空数周之外，一般的气球望远镜最多只能工作数日。虽说这样的持续时长与卫星相比不值得一提，不过要比机载望远镜和探空火箭长得多。
对于望远镜来说，气球平台最大的不便在于视野受限，由于仪器是悬挂在气球正下方的，因此无法观测头顶的天区，不过这一点可以通过延长滞空时间来部分弥补。同温层大气虽然相对宁静，但仍旧存在高空风，因此望远镜要安装在三轴支架上，借助磁力计、陀螺仪以及导星装置等手段来保持指向稳定。
最早的气球望远镜平台是成形于1957年的同温层望远镜（Stratoscope）I。普林斯顿大学的Martin Schwarzschild希望可以在地球大气最浓密的区域之上研究湍动的太阳光球。气球上搭载了一架12英寸（30.5厘米）口径的反射式可见光望远镜，可以使用35毫米摄影机记录太阳光球层中米粒组织的演化。
同温层望远镜I的12英寸主镜模型。（图片提供：NASM）
同温层望远镜I在1959年之前进行了数次飞行，随后它被拆解，由主镜口径三倍于之的同温层望远镜II取而代之，观测波段也拓展到了红外。同温层望远镜II在1963年到1971年之间升空6次，研究内容涵盖行星大气、红巨星大气以及星系核。
而个人眼中最著名的气球望远镜项目应该是BOOMERanG了，由于在微波背景辐射测量方面的重要工作，它甚至一度成为了最有影响力的天文仪器之一。BOOMERanG是第一架旨在忠实测绘宇宙微波背景辐射各向异性的望远镜，主要工作在微波波段。1.2米口径的主反射镜将微波辐射汇聚在16架号角天线组成的8像素焦平面上，视场很小，最终也只观测了很小的天区。望远镜的核心是冷却到0.27开尔文的测辐射热计。物质在如此低温环境下的比热极低，因此对微小的温度变化非常敏感。高灵敏度再加上小视场，这是BOOMERanG成功测量出微波背景辐射精细结构的关键。
BOOMERanG在南极洲McMurdo科考站的放飞。（图片来源：Wipikedia）
BOOMERanG于1997年在北美完成了试飞，随后于1998年和2003年在南极洲放飞两次，获取了宇宙背景辐射中温度各向异性分布的高精度天图，测量了背景辐射的偏振，还结合同期的MAXIMA等其他类似仪器的测量精确给出了末次散射表面的角直径距离，由此利用哈勃常数的数值发现了宇宙的时空结构为平直状，证实了暴涨模型的预言，并进一步支持了暗能量的存在。至于日后测绘全天背景辐射细节的WMAP与普朗克探测器，那都是在BOOMERanG首飞之后的事情了。
实际上由于同温层环境干燥，对来自天体的红外与微波辐射吸收甚少，气球望远镜宜于观测宇宙学研究，而且早已发挥过重要的作用。2000年之前最佳宇宙背景辐射图来自MAXIMA不论，早在1989年，麻省理工学院主持的远红外望远镜FIRS就已证实了COBE卫星的著名观测，说明宇宙背景辐射中的确存在小尺度结构。稍候的FOCA等气球望远镜则为宇宙红外背景的测量贡献了自己的力量。
FIRS的望远镜剖面图。
在红外和微波之外，气球望远镜的工作波段还囊括了从紫外到伽玛射线的整个短波，如专事太阳耀斑高能辐射观测的HIREGS、搭载有硬X射线望远镜的HERO和HEFT、在紫外波段考察太阳的Sunrise等等。而高空气球对天文和空间科学研究的贡献也不局限于电磁波观测。数年前宇宙线探测器ATIC因为发现了疑似的高能电子数量过剩，暗示某类暗物质粒子的存在而名噪一时；前两年一系列的BARREL气球也协助了范艾伦辐射带的相关研究。
Sunrise拍摄的太阳紫外波段细节，可以解析日面宽度100千米左右的结构。（图片提供：MPS）
除了稳定指向的要求提出的技术挑战，气球望远镜面临的最大风险是仪器在飞行途中或因回收不善而发生毁损，如HERO以及亚毫米波望远镜BLAST的主体都有过这样的遭遇。受限于天气条件也是气球设备的不利之处，为了进行有效观测，相关小组往往需要等候多时，还只能在一年之中的某些季节放飞。
当下有若干进行中的气球望远镜项目，如上文提到的Sunrise以及BLAST。未来在改进现有的仪器和气球技术之余，飞艇平台也许是高空亚轨道天文观测的另一个发展方向。后者在一定程度上可以放宽观测时间的局限，同时兼保气球设备低成本易回收的优点，只是它的正式投入使用还有待飞艇技术的进一步发展。
