紅外空間望遠(yuǎn)鏡簡(jiǎn)史

文/杜威

天文學(xué)家最討厭陰天，沒(méi)有什么比不能看到點(diǎn)點(diǎn)繁星更加糟糕的事情了。然而縱使在萬(wàn)里無(wú)云的夜空，我們也只能看到可見(jiàn)光等波段有限的光芒，紫外、紅外等波段的光大都被地球大氣中的水蒸汽、二氧化碳、臭氧等吸收得一干二凈，地面上的人們幾乎束手無(wú)策。然而，在這些波段可以看到許多可見(jiàn)光看不到的細(xì)節(jié)，對(duì)于天文學(xué)具有重要意義，諸如在紅外波段我們可以觀測(cè)到年輕的恒星、行星與原始星系，這對(duì)解析宇宙、銀河系、太陽(yáng)系甚至地球與生命的起源有重要意義。

天文學(xué)家絞盡腦汁思考逃離大氣影響的方法，其中最直接有效的方式就是發(fā)射空間望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，前往地球大氣層之外進(jìn)行觀測(cè)。

氣球與飛機(jī)觀測(cè)

距離可見(jiàn)光較近的近紅外波段性質(zhì)與可見(jiàn)光類(lèi)似，在地球大氣含水量較少的地方可以觀測(cè)，因此位于地面的紅外望遠(yuǎn)鏡多選擇建于干燥的沙漠、高原或南極大陸。然而對(duì)于中紅外、遠(yuǎn)紅外波段的觀測(cè)，這些地面望遠(yuǎn)鏡便力不從心了。20 世紀(jì)60 年代，迫不得已的天文學(xué)家使用氣球掛載探測(cè)儀器飛向水含量少的高空進(jìn)行紅外觀測(cè)，但是氣球探測(cè)的觀測(cè)時(shí)間過(guò)短，穩(wěn)定性差，不確定性也比較高。

1974 年，一架改裝過(guò)的洛克希德C-141 運(yùn)輸機(jī)飛上云霄，在14 千米高的平流層進(jìn)行紅外觀測(cè)，這就是在當(dāng)年被紅外天文學(xué)家視為珍寶的美國(guó)宇航局柯伊伯機(jī)載天文臺(tái)（Kuiper Airborne Observatory，KAO）。這架飛機(jī)搭載了一部口徑0.915 米的反射式望遠(yuǎn)鏡，在巡航高度可以觀測(cè)到85%的紅外波長(zhǎng)。相比原來(lái)隨風(fēng)飄逝的氣球，這架飛機(jī)可以提供更加穩(wěn)定的觀測(cè)條件，能連續(xù)觀測(cè)7.5 小時(shí)以上。柯伊伯機(jī)載天文臺(tái)總共進(jìn)行了1417 次飛行，獲得了豐厚的觀測(cè)成果，極大推動(dòng)了紅外天文學(xué)的發(fā)展。它拍攝了來(lái)自銀河系中心和其他星系的遠(yuǎn)紅外圖像，研究了恒星形成區(qū)域中水和有機(jī)分子的分布，并在1977 年首先發(fā)現(xiàn)了天王星環(huán)，在1988 年確定了冥王星存在大氣層。柯伊伯機(jī)載天文臺(tái)于1995 年功成身退。

▲ 地球大氣對(duì)不同波段電磁波的吸收率示意圖

▲ 不同波段下的蟹狀星云，可以觀測(cè)到不同細(xì)節(jié)的影像

相比發(fā)射天文觀測(cè)衛(wèi)星，機(jī)載天文臺(tái)具有成本低、便于人工維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)在依然有發(fā)展與應(yīng)用。在柯伊伯機(jī)載天文臺(tái)退役后，美國(guó)宇航局開(kāi)始研發(fā)性能更加強(qiáng)勁的索菲亞平流層紅外天文臺(tái)（SOFIA），并于2010 年首次觀測(cè)。這架改裝過(guò)的波音747 寬體機(jī)在機(jī)尾部分有一面高5.5米、寬4.1 米的門(mén)，內(nèi)部搭載了一部直徑2.5 米的反射式望遠(yuǎn)鏡，并且可以在夜間連續(xù)飛行10 小時(shí)。“索菲亞”目前仍在役，它將研究行星大氣和表面的組成，探尋彗星的結(jié)構(gòu)、演化和組成；確定星際介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，并探索恒星和其他恒星的形成過(guò)程。

▲ 柯伊伯機(jī)載天文臺(tái)與其望遠(yuǎn)鏡特寫(xiě)

▲ 索菲亞平流層紅外天文臺(tái)與其望遠(yuǎn)鏡特寫(xiě)

▲ IRAS 拍攝的紅外全天巡天圖像

紅外天文衛(wèi)星（IRAS）

雖然機(jī)載紅外天文臺(tái)的成本較低，但依舊有15%的紅外光無(wú)法看到，同時(shí)無(wú)法避免飛機(jī)抖動(dòng)的影響。因此，發(fā)射紅外波段的空間望遠(yuǎn)鏡仍是最佳選擇。1983 年1 月25 日，美國(guó)、荷蘭與英國(guó)聯(lián)合發(fā)射了世界上第一款紅外空間望遠(yuǎn)鏡——紅外天文衛(wèi)星（Infrared Astronomical Satellite ，IRAS）。

IRAS 重1.08 噸，配備一部直徑0.57 米的主鏡，運(yùn)行于900 千米高的太陽(yáng)同步軌道上。這是人類(lèi)第一次完全規(guī)避地球大氣的影響，毫無(wú)遮攔地在紅外波段進(jìn)行天文觀測(cè)。IRAS 在12 微米、25 微米、60 微米、100 微米4 個(gè)不同的波段對(duì)96%的天空進(jìn)行了掃描，獲得了全世界第一幅紅外全天巡天圖像，開(kāi)創(chuàng)了天基紅外天文學(xué)的先河。IRAS 共發(fā)現(xiàn)大約35 萬(wàn)個(gè)紅外發(fā)射源，其中多數(shù)仍在等待鑒定。此外，它還發(fā)現(xiàn)了4 顆小行星和6 顆彗星等新天體。

IRAS 是第一部在太空使用超流體的衛(wèi)星。因?yàn)榧t外光的強(qiáng)度與物體的溫度有相關(guān)性，所以衛(wèi)星本身也會(huì)發(fā)出紅外線(xiàn)。為了規(guī)避衛(wèi)星本身紅外線(xiàn)的影響，IRAS 攜帶了73 千克的超流體液氦作為制冷劑。這些液氦緩慢揮發(fā)，可以將望遠(yuǎn)鏡冷卻到-271℃（2開(kāi)爾文）的極低溫度。這些液氦資源是有限的，在工作9 個(gè)月零26 天后液氦耗盡，IRAS 溫度升高，影響了其正常觀測(cè)，任務(wù)結(jié)束。

紅外空間天文臺(tái)（ISO）

1995 年11 月17 日，由歐空局主導(dǎo)，在日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和美國(guó)宇航局的合作下，紅外空間天文臺(tái)（Infrared Space Observatory，ISO）成功發(fā)射。與IRAS 相比，ISO的性能指標(biāo)有了進(jìn)一步的提升，它重2.5 噸，主鏡直徑為0.6 米，運(yùn)行于近地點(diǎn)1000 千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)70600 千米高的大橢圓軌道上。在這一軌道其環(huán)繞周期為24 小時(shí)，與地球自轉(zhuǎn)速度一致，也與地面科研人員作息一致，有利于提高天文臺(tái)的使用效率。

▲ ISO 的主鏡

▲ ISO 的長(zhǎng)波光譜儀備份件

ISO 的設(shè)計(jì)指標(biāo)參照IRAS 進(jìn)行了提升，同時(shí)攜帶4 臺(tái)觀測(cè)儀器使它的觀測(cè)波長(zhǎng)范圍拓展到了2.5 至240 微米，在12 微米波段下其靈敏度提高了1000 倍，角分辨率提高了100 倍，可謂“見(jiàn)微知著”。此外，它攜帶的液氦制冷劑達(dá)到了283 千克，使它的使用壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)，達(dá)到了接近兩年半。

ISO 取得的觀測(cè)成果豐碩。原本天文學(xué)家認(rèn)為行星只能在年輕的恒星周?chē)纬桑獻(xiàn)SO 在垂死的恒星周?chē)l(fā)現(xiàn)了年輕的行星，拓展了理論認(rèn)知。ISO通過(guò)攜帶的紅外光譜儀性能優(yōu)異，通過(guò)對(duì)光譜的識(shí)別可以確定遙遠(yuǎn)天體的物質(zhì)組成，比如ISO 測(cè)量了太陽(yáng)系內(nèi)幾顆行星大氣的化學(xué)組成，并且首次在星際氣體云中檢測(cè)到氟化氫分子，還在獵戶(hù)座大星云中探測(cè)到水分子的存在。

斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡（Spitzer）

斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope）是繼IRAS 與ISO后第三臺(tái)致力于紅外天文學(xué)的空間望遠(yuǎn)鏡，以美國(guó)天文學(xué)家萊曼·斯皮策命名，斯皮策早在1946 年就提出了在外太空部署望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想。

斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡于2003 年8月發(fā)射，重量只有0.95 噸，但是主鏡直徑卻達(dá)到了0.85 米，因?yàn)橹麋R采用了輕質(zhì)金屬鈹。更加先進(jìn)的制冷技術(shù)使它消耗的液氦量明顯降低，只攜帶了50.4 千克液氦，卻足足使用了接近6 年時(shí)間。斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡選擇了一條特殊的地球追蹤軌道。在這一軌道上，望遠(yuǎn)鏡將逐年遠(yuǎn)離地球，以進(jìn)一步降低地球這一紅外熱源對(duì)觀測(cè)的影響，同時(shí)降低液氦使用量。

▲ 斯皮策望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)模擬圖

▲ 斯皮策望遠(yuǎn)鏡拍攝的“上帝之眼”螺旋星云，藍(lán)色對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)3.6 到4.5 微米，綠色對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)5.8 到8 微米，紅色對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)24 微米

斯皮策望遠(yuǎn)鏡攜帶了3 臺(tái)觀測(cè)儀器，探測(cè)波段為3.6～160 微米。最為著名的探測(cè)成果，是它在2005 年成為第一部直接捕捉到來(lái)自系外行星的望遠(yuǎn)鏡。2006 年3 月，斯皮策望遠(yuǎn)鏡在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)80 光年長(zhǎng)的雙螺旋星云。據(jù)天文學(xué)家分析，它之所以扭曲成雙螺旋形狀是因?yàn)槠渲行拇嬖谝粋€(gè)超大質(zhì)量黑洞，黑洞產(chǎn)生的巨大磁場(chǎng)造成光路偏轉(zhuǎn)。這是黑洞存在的直接證據(jù)之一。

“斯皮策”在2009 年5 月15 日用完了液氦制冷劑，這導(dǎo)致遠(yuǎn)紅外波段的觀測(cè)工作終止。不像前兩代IRAS和ISO 在制冷劑用完后直接退役，“斯皮策”的紅外陣列相機(jī)此后依舊在近紅外波段工作，并發(fā)現(xiàn)了更多顆系外行星、褐矮星、原恒星等遙遠(yuǎn)且黯淡的天體，這一段時(shí)期被稱(chēng)作“斯皮策溫暖任務(wù)”。直到2020 年1 月30 日因能源供給不足而被永久關(guān)閉，斯皮策望遠(yuǎn)鏡被榨干最后一絲能量后永久地睡去了。

赫歇爾空間天文臺(tái)（Herschel）

歐空局在2009 年5 月14 日成功發(fā)射了赫歇爾空間天文臺(tái)（Herschel Space Observatory），這部空間望遠(yuǎn)鏡以發(fā)現(xiàn)天王星的天文學(xué)家威廉·赫歇爾、卡羅琳·赫歇爾兄妹命名。它是在詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前世界上最大的空間望遠(yuǎn)鏡，重3.4 噸，擁有一部主鏡直徑3.5 米的望遠(yuǎn)鏡。更大的口徑可以帶來(lái)更加強(qiáng)勁的觀測(cè)能力，赫歇爾空間天文臺(tái)是截至目前唯一一部能夠看到從55 微米的中紅外波段到672 微米的亞毫米波段的望遠(yuǎn)鏡。波長(zhǎng)如此長(zhǎng)的紅外線(xiàn)可以穿過(guò)星際氣體和塵埃，使赫歇爾空間天文臺(tái)可以看清灰塵遮蓋的神秘區(qū)域。

赫歇爾空間天文臺(tái)的主鏡材料并非玻璃，而是由碳化硅制成。因?yàn)橹睆?.5 米的玻璃鏡面在巨大的溫度變化下會(huì)產(chǎn)生明顯的形變，而碳化硅具有低熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱性、高硬度和高剛性，因此十分適合制作直徑3.5米的主鏡。

▲ 赫歇爾空間天文臺(tái)的主鏡

▲ 赫歇爾空間天文臺(tái)拍攝的玫瑰星云，藍(lán)色對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)70 微米，綠色對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)160 微米，紅色對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)250 微米

赫歇爾空間天文臺(tái)運(yùn)行在距離地球150 萬(wàn)千米遠(yuǎn)的拉格朗日L2 點(diǎn)，在這一點(diǎn)可以在盡可能遠(yuǎn)離太陽(yáng)、地球、月球這三大紅外熱源的同時(shí)，保證觀測(cè)能力、電力供應(yīng)與通信能力的效益最大化。赫歇爾空間天文臺(tái)探測(cè)了宇宙早期的星系演化過(guò)程，觀察了恒星形成及其與星際介質(zhì)的相互作用，并且測(cè)量了太陽(yáng)系內(nèi)行星、彗星和衛(wèi)星的大氣化學(xué)成分。

這部紅外望遠(yuǎn)鏡的核心探測(cè)器也需要液氦冷卻，它攜帶了約320千克液氦，將望遠(yuǎn)鏡核心部件降溫到-271℃以下。它在正常運(yùn)作接近4年后，于2013年4月29日將液氦耗盡，任務(wù)結(jié)束。

▲ 寬視場(chǎng)紅外測(cè)量探測(cè)器觀測(cè)模擬圖

赫歇爾空間天文臺(tái)在2011 年8月發(fā)現(xiàn)星際空間中存在氧氣分子，在同年10 月還通過(guò)測(cè)量哈特利2 號(hào)彗星中氘含量，表明地球上的大部分水最初可能來(lái)自彗星撞擊。受益于日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，這部望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)收集與存儲(chǔ)能力大大提升，在2013 年退役后依舊留下了巨量的科學(xué)數(shù)據(jù)等待天文學(xué)家處理。2014 年1 月，歐空局天文學(xué)家使用赫歇爾的數(shù)據(jù)首次確定在矮行星谷神星上存在水蒸汽，使天文學(xué)家重新思考了彗星、小行星和矮行星之間的界限。直到2017 年，天文學(xué)家們才將“赫歇爾”留下的探測(cè)數(shù)據(jù)分析完畢。

寬視場(chǎng)紅外測(cè)量探測(cè)器（WISE）

寬視場(chǎng)紅外測(cè)量探測(cè)器（Widefield Infrared Survey Explorer，WISE）是美國(guó)宇航局在2009 年12 月14 日發(fā)射的小型紅外空間望遠(yuǎn)鏡。它只有0.66 噸重，配有一部直徑0.4 米的主鏡，運(yùn)行在525 千米高的太陽(yáng)同步軌道上。這顆衛(wèi)星與先前的紅外空間望遠(yuǎn)鏡相比規(guī)格較小，是因?yàn)樗袚?dān)的任務(wù)有所差異。WISE 將專(zhuān)注于在3.3、4.7、12 和23 微米的波段對(duì)全天進(jìn)行快速成像，以搜尋小行星、彗星和部分冷暗的恒星。

WISE 身姿小巧，身手敏捷，每隔11 秒就可以拍攝一張圖像，截至2010 年底拍攝了150 萬(wàn)張之多。根據(jù)這些圖像，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系內(nèi)33500 顆新的小行星和彗星，其中包括地球的第一顆特洛伊小行星。此外，它還發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系外一種全新的褐矮星。10 個(gè)月后，WISE 攜帶的液氦耗盡，進(jìn)入休眠模式。

不同于其他直接退役的衛(wèi)星，WISE 在2013 年被重新喚醒，并重命名為近地天體廣域紅外巡天探測(cè)器（NEOWISE），在近紅外波段繼續(xù)搜索近地小行星與彗星，并尋找與地球存在相撞風(fēng)險(xiǎn)的小行星。截至2021 年底這顆小巧的空間望遠(yuǎn)鏡還在發(fā)揮余熱，美國(guó)宇航局將它的任務(wù)期限至少延長(zhǎng)到了2023 年6 月。

▲ 寬視場(chǎng)紅外測(cè)量探測(cè)器拍攝的彗星Siding Spring (C/2007 Q3)

▲ 詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡巨大的主鏡

▲ 羅馬空間望遠(yuǎn)鏡模擬圖

▲ 起源空間望遠(yuǎn)鏡模擬圖

未來(lái)可期

在赫歇爾空間天文臺(tái)退役后，國(guó)際天文學(xué)界已經(jīng)為其接任者做好了初步規(guī)劃。首先是美國(guó)宇航局與歐空局合作的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，它擁有一部直徑6.5 米的巨大主鏡，將專(zhuān)注于接收從0.6 到28.5 微米的的近紅外光，于2021 年12 月25 日發(fā)射升空，并取代赫歇爾空間天文臺(tái)，打破世界上最大空間望遠(yuǎn)鏡的記錄。其技術(shù)達(dá)到了目前人類(lèi)能夠達(dá)到的巔峰。

美國(guó)還有多枚紅外空間望遠(yuǎn)鏡的中遠(yuǎn)期發(fā)射計(jì)劃，包括于2027 年發(fā)射的南希·格雷斯·羅馬空間望遠(yuǎn)鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）、2035 年發(fā)射的起源空間望遠(yuǎn)鏡（Origins）等。羅馬空間望遠(yuǎn)鏡配備一部直徑2.4 米的寬視場(chǎng)主鏡，它將探索宇宙膨脹的歷史和宇宙結(jié)構(gòu)的變化，并精確測(cè)量宇宙中暗能量的影響，驗(yàn)證時(shí)空曲率、廣義相對(duì)論的一致性。起源空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)更為搶眼，它將擁有一部直徑達(dá)8 到15 米的巨大主鏡，將在遠(yuǎn)紅外波段實(shí)現(xiàn)觀測(cè)能力的飛躍，其角分辨率與赫歇爾相比提升了10000 倍以上。

縱觀空間紅外望遠(yuǎn)鏡發(fā)射史，我們可以看到越來(lái)越大的主鏡直徑、越來(lái)越先進(jìn)的主鏡材料、越來(lái)越強(qiáng)勁的制冷系統(tǒng)、越來(lái)越高效的數(shù)據(jù)獲取與通信能力。這會(huì)帶來(lái)更加精細(xì)的角分辨率，呈現(xiàn)出前所未有的細(xì)節(jié)。

人類(lèi)的好奇心是偉大的，它帶領(lǐng)人類(lèi)前赴后繼地探尋宇宙起源、生命起源的真諦。而這都需要紅外空間望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)支持，只有通過(guò)這些冰冷的望遠(yuǎn)鏡，人類(lèi)才能“不畏浮云遮望眼”，點(diǎn)燃一代代人澎湃又熾熱的心。

▲ 世界主要紅外空間望遠(yuǎn)鏡主鏡大小及主鏡溫度對(duì)比圖 作者譯，有改動(dòng)