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升空15周年快乐,斯皮策望远镜!

NASA的斯皮策空间望远镜,已经在太空兢兢业业运行了15年,作出了许多不亚于哈勃的重大发现。图片来源:NASA

艾麦乐 编译)到今年8月25日,NASA的斯皮策空间望远镜升空就满15年了。

跟大名鼎鼎的哈勃空间望远镜比起来,斯皮策望远镜虽然同样兢兢业业,同样劳苦功高,却显得低调太多了,甚至有些默默无闻。事实上,哈勃望远镜发布的许多太空图片中,就包含有斯皮策望远镜提供的红外影像数据。而对天文学家来说,斯皮策在天文发现方面的成就也丝毫不亚于哈勃,甚至作出了不少连它的设计者都从来没有设想过的重大发现。

趁着发射升空15周年之际,是时候来好好认识一下斯皮策空间望远镜了。

NASA的3台大型轨道天文台(钱德拉、哈勃和斯皮策)合作拍摄的仙后座A,一颗恒星在绚烂的超新星爆发中炸碎之后留下的遗迹。图片来源:NASA/JPL-Caltech/STScI/CXC/SAO

大型轨道天文台

跟哈勃空间望远镜一样,斯皮策也是NASA旗下的大型轨道天文台之一。

大型轨道天文台,是NASA提出的一个雄心勃勃的计划,旨在建造和运行4台大型空间望远镜,在各自专长的不同波段观测宇宙,从而帮助天文学家给我们的宇宙描绘一幅更完整的图像。

1990年发射升空的哈勃望远镜,是大型轨道天文台中最早的成员,主要在肉眼能够感知的可见光波段观测宇宙,它拍摄的大量太空图片已经成为一代经典。除哈勃以外,大型轨道天文台还包括:1991年发射升空的康普顿伽马射电天文台,1999年发射升空的钱德拉X射线天文台,以及今天我们要着重介绍的斯皮策空间望远镜。

2003年发射升空的斯皮策,是大型轨道天文台的最后一员,主要在红外波段观测宇宙。

在象鼻星云这个恒星襁褓之中,斯皮策的红外视力能够透过重重尘埃的遮蔽,看见其中刚刚形成的原恒星。图片来源:NASA/JPL-Caltech/W. Reach (SSC/Caltech)

遥望宇宙的红外眼

红外线,主要来自于热辐射,波长略长于可见光。虽然肉眼看不见,但在探索太空方面,红外线却相当重要。从恒星诞生之地暗流涌动的星云,到地球轨道附近个头不大的小行星,宇宙中有大量现象可以用红外线来观测和研究。特别是宇宙中那些极其遥远的天体,更是只在红外波段才有机会一窥真相。

有些天体太过暗淡或者太过遥远,还有些天体被浓密的宇宙尘埃云遮挡,哪怕用哈勃望远镜,在可见光波段都无法看到它们,而斯皮策在红外波段往往就能看个清楚。从这个角度来说,斯皮策扩宽了人类探索宇宙的视力,无论远近。

更重要的是,与地面望远镜不同,斯皮策不必与地球大气层、日常温度变化或者昼夜交替相对抗。凭借口径还不到1米的反射镜,太空中的斯皮策望远镜比地球上口径10米的望远镜更加敏感。

工作在红外线波段的斯皮策望远镜,扩宽了人类观测宇宙的视力,看见了不一样的宇宙景观。图片来源:NASA

尾随地球

斯皮策无法像哈勃那样绕着地球运转,因为在靠近地球的位置上,地球本身散发出的热量是一种干扰,会影响它遥远宇宙的红外视力。于是,斯皮策选择了一条环绕太阳的轨道,几乎跟地球轨道一模一样。区别只在于,在这样一条轨道上,它的移动速度比地球稍慢,会逐渐落在地球身后,每年都会飘得更远一些。

这条“地球尾随轨道”有许多优点。由于避开了地球的热量干扰,斯皮策享受着天然更加“凉爽”的空间环境。由于环绕太阳运行,斯皮策还拥有更广阔的天空视野。虽然它的视野全年都在变化,但在任意时刻,它都可以观测大约1/3的天空。

斯皮策是进入这条轨道的第一艘航天器。在它升空6年后,开普勒望远镜也进入了地球尾随轨道,后来发现了数以千计的太阳系外行星。

斯皮策在“冷任务”期间拍摄的盘绕星系NGC 1097。图片来源:NASA/JPL-Caltech

耗尽冷却剂

一开始,NASA给斯皮策设定的工作年限,只有短短2年半的时间。

由于是在红外波段观测宇宙,斯皮策上的设备对温度极为敏感,只有在比绝对零度仅高出几度的极低温环境下,部分设备才能正常工作。为此,斯皮策专门准备了液氦冷却剂,用于在任务期间让关键设备保持低温。而斯皮策发射时能够携带的液氦,总容量是有限的。

2年半的工作年限,正是斯皮策的团队预计这些冷却剂将会耗尽的期限。

结果,那些液氦超出了预期,一口气撑了5年半的时间,直到2009年5月才全部耗尽。这第一个阶段的观测,也被斯皮策团队称为“冷任务”。

显然,NASA并没有打算让斯皮策随着冷却剂的耗尽而退役。相反,斯皮策的工作进入到了下一个阶段,被称为“温任务”。

此时,斯皮策的温度已经要比绝对零度高出大约30℃了。虽然看起来仍然很低,但它携带的许多设备,比如红外光谱仪(IRS)和多波段成像光度计(MIPS),已经无法再继续工作了。好在,红外阵列相机的4块探测器阵列中,有2块坚持了下来。从那时起,身残志坚的这台相机一直推动着斯皮策继续探索宇宙。

在“温任务”期间,斯皮策望远镜通过微引力透镜发现了太阳系外行星OGLE-2016-BLG-1195Lb,距离地球大约1.3万光年,是已知最远的系外行星之一。图为这颗行星的想像图。图片来源:NASA/JPL-Caltech

意外收获系外行星

斯皮策不是为研究系外行星而设计的,却在这一领域取得了巨大的成就。

2003年斯皮策发射升空时,系外行星科学还处于起步阶段。斯皮策团队的首批科学家和工程师,根本不知道它还能观测太阳系外的行星。但这台望远镜精确的恒星瞄准系统,以及控制不必要温度变化的能力,让它成为了研究系外行星的有力工具。

利用所谓的“凌星法”,斯皮策可以监测某一颗恒星,如果有行星从它前方经过,遮住了一部分星光,斯皮策就会发现恒星亮度出现下降。斯皮策望远镜最著名的成就之一,就是用这种方法发现了TRAPPIST-1的3颗行星,并证实这颗温度超低的矮星总共拥有7颗地球大小的行星。斯皮策的数据还帮助科学家断定,所有7颗行星都是岩石行星。

使用另一种称为“微引力透镜”的技术,斯皮策还找到了银河系中心方向更遥远的太阳系外行星。当一颗恒星从另一颗恒星前方经过时,前面那颗恒星的引力会起到透镜的作用,使得后面的恒星看起来显得更亮。科学家利用斯皮策仔细观测这种增亮过程,如果后面那颗恒星的亮度出现突然的变化,可能意味着前面那颗恒星拥有围绕它旋转的行星。

TRAPPIST-1,被称为“迷你太阳系”,拥有7颗行星,而且全都类似于地球,甚至有好几颗都位于可能适于生命生存的宜居带内。图片来源:NASA/R. Hurt/T. Pyle

远在天边,近在眼前

在设计之初,斯皮策的科学家就预期,这台望远镜将打开通往遥远过去的观测窗口,让我们看到离地球大约120亿光年的星系。

那些极其遥远的天体发出的光,在跨越了漫长的时间和空间抵达地球时,早已不再是原来的颜色,而是会整体向红色方向偏移。这种因为宇宙膨胀而导致的现象,使得最遥远的那些天体发出的可见光,甚至被偏移到了红外波段。而这个波段,正是斯皮策设计观测的范围。

实际上,斯皮策超越了设计师预期,甚至看到了更久远的过去,几乎回溯到了宇宙诞生之初。通过与哈勃望远镜的合作,斯皮策帮助测定了GN-z11星系的基本性质。这个星系距离我们大约134亿光年,它的光在大爆炸后4亿年就开始在宇宙中穿行了。这是人类已知最遥远的星系。

GN-z11,人类已知距离我们最远的星系,它的基本性质便是由斯皮策望远镜帮助测定的。图片来源:NASA

除了“远在天边”的星系,斯皮策还作出过“近在眼前”的大发现,就在我们的太阳系内部。

或许你知道,土星拥有美丽而又独特的光环。但你可能不知道,土星最大的光环,直到2009年才被斯皮策望远镜发现。最外侧的这道光环并不能反射很多的可见光,因而很难用地球上的望远镜看到它。但在斯皮策望远镜的红外眼中,光环里寒冷的尘埃发出的红外线光芒却清晰可见。

这道光环从距离土星600万公里处开始,一直延伸到1200万公里以外。相比之下,肉眼在望远镜里能够看到的土星光环,最外侧边缘到土星的距离也只有14万公里而已。

土星最大光环的示意图。图片来源:NASA/JPL-Caltech

上面这些,只是斯皮策作出的许多重大发现中的几个例子而已。它还帮助发现了宇宙中最古老的两个超大质量黑洞,率先检测到了系外行星上有水存在的迹象,见证过其他太阳系里岩石行星发生的大碰撞,还首次在宇宙星云中发现了巴基球碳分子。

而在另一方面,超期服役太长时间的斯皮策空间望远镜,也开始显露出疲态。

超越极限

从2016年10月开始,斯皮策进入了所谓的“超越模式”。

当时,升空超过13年的斯皮策望远镜,已经在尾随地球的轨道上越飘越远,要被地球落下小半圈了。逐渐拉大的空间跨度,给通信带来了越来越大的挑战。而更大的麻烦在于,从斯皮策的位置上看来,太阳和地球在天空中的方位正在越靠越近。

为了与地球交流,工程师必须将斯皮策的天线对准地球方向。而现在,这意味着天线不得不越来越偏向于太阳方向。一方面,这会让望远镜暴露在更多阳光带来的热量之下,温度会升得更高;而另一方面,与天线垂直的太阳能板却不得不偏离太阳方向,导致发电效率越来越低,给供电带来更大的压力。

按照原本的程序设定,遇到这样的极限情况,斯皮策望远镜应该自动进入安全模式,以免设备受损。而NASA的决定是,手动取消安全限制,让已经超期服役的斯皮策能够继续工作,哪怕这样会让它承受更高的风险。这便是超越模式,意味着斯皮策的工作已经超出了原本给它设定的安全范围。

所幸的是,到目前为止,在这种高风险模式下,斯皮策望远镜工作还算顺利。

斯皮策望远镜进入了超越模式,可以说是顶着大太阳在坚持工作,并且跟地球保持联络。图片来源:NASA/JPL-Caltech

但最终,斯皮策是要卸下现役主力红外空间望远镜这副重担的。接它的班继续在红外线波段探索宇宙的,将是NASA计划在2021年发射的韦布空间望远镜。而在韦布之后,NASA还计划研制大视场红外巡天望远镜(WFIRST)。

对于这些后继者,斯皮策已经给它们确定了进一步研究的领域。凭借更强大的行星大气探测能力,韦布可能会揭示斯皮策发现的那些系外行星的惊人新细节。斯皮策和其他望远镜一起发现的遥远星系,也将由韦布来作进一步的详细观察。而WFIRST则将通过红外波段的巡天观测,来探索和调查长期悬而未解的更多宇宙之迷。

当未来的那些红外望远镜作出重大发现的时候,天文学家不会忘记斯皮策望远镜作为这位老前辈,这15年来给红外观测天文学打下的坚实基础。

斯皮策,升空15周年快乐!(编辑:Steed

The End

发布于2018-08-26, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

Elizabeth Landau

科学作者,目前就职于NASA的JPL实验室

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