國外紅外天文望遠鏡發(fā)展現(xiàn)狀

黃 晨，王建軍，高 昕，丁 盛

(1．北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094;2．裝甲兵工程學院控制工程系，北京100072)

1 引言

由于大氣對紅外輻射的影響，地面紅外觀測只限制在幾個波段范圍。為了探尋宇宙起源、星體演變等特性，天文學上發(fā)射多顆探測器探測宇宙星體不同波段的輻射。20世紀70年代以來利用高空氣球、火箭、飛機和人造衛(wèi)星攜帶各種紅外探測器展開天文紅外探測［1］。80年代美國發(fā)射第一顆天文紅外衛(wèi)星(IRAS)并成功觀測獲取數(shù)據(jù)，由此開始了空間紅外搜索探測序幕，在此之后美國、歐洲、日本相繼開展一系列紅外巡天計劃，覆蓋紅外多個波段，發(fā)射多顆天文紅外衛(wèi)星進行全空域或指定區(qū)域進行搜索探測。同時生成了相應(yīng)的紅外星表數(shù)據(jù)，包括觀測波段的輻射強度、位置信息、測光精度、位置精度等信息。美國的紅外巡天計劃以NASA為主導(dǎo)，同時多家科研機構(gòu)如噴氣動力實驗室JPL、空軍物理地球?qū)嶒炇褹FGL、紅外處理分析中心(IPAC)及多所大學如哈佛大學、加州大學洛杉磯分校、加州大學伯克利分校等參與，代表了當今天文紅外領(lǐng)域最先進工程技術(shù)水平。歐洲以歐空局ESA為主導(dǎo)，早在1979年根據(jù)IRAS衛(wèi)星提出自己的天文紅外望遠鏡計劃，已研制出并成功發(fā)射目前最大口徑的天文紅外望遠鏡Herschel。同時與美國、日本合作參與多個天文紅外巡天計劃。日本多年來致力于太空探索，其空間探測任務(wù)以日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)為主導(dǎo)。近年來與NASA，ESA合作多個空間試驗項目，用新一代的運載火箭M－V，發(fā)射多顆宇宙空間探測器。

分析美國國家航空航天局(NASA)、歐洲太空局(ESA)、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)主導(dǎo)的多個典型紅外巡天任務(wù)的情況特點及其紅外天文望遠鏡光學結(jié)構(gòu)特性、紅外探測器件的性能以及紅外巡天計劃生成的星表數(shù)據(jù)。其中IRAS，WISE，2MASS，AKARI四個為全空域巡天，其生成的多個紅外星表數(shù)據(jù)在多個領(lǐng)域使用。

2 美國天文紅外望遠鏡

2．1 紅外天文衛(wèi)星IRAS(infrared astronomical satellite)

紅外天文衛(wèi)星IRAS［2］是第一代天基紅外望遠鏡，于1983年1月發(fā)射升空并送入900 km的極地軌道。由美國的 NASA、荷蘭的 NIVR與英國的SERC聯(lián)合完成。IRAS在 12μm，25μm，60μm，100μm完成對96%空域的搜索。衛(wèi)星上搭載了紅外搜索陣列(Survey Array)、低分辨率分光計(LRS)、光譜分光通道(CPC)。望遠鏡采用里奇－克雷季昂(Ritchey-Chretien)結(jié)構(gòu)，f數(shù)為9．6，焦距為5．5 m，口徑為570 mm。焦平面組件固定在望遠鏡卡塞格林焦點上，工作溫度冷卻至3 K以下。在IRAS搜索陣列上有62個紅外探測器件，在四個紅外波段每個波段至少有兩個探測器能夠探測到視場內(nèi)的光線。紅外陣列相機參數(shù)如表1所示。IRAS外部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 陣列相機參數(shù)Tab．1 survey array parameter

圖1 IRAS外部結(jié)構(gòu)圖Fig．1 external structure of IRAS

IRAS任務(wù)主要生成包括一個紅外點源星表(PSC)，一個小尺度結(jié)構(gòu)星表(SSS)，天空中波計率分光機紅外圖像。其中紅外點源星表(PSC)包含了245889顆目標的位置和測光信息，小尺度結(jié)構(gòu)星表包含了16740顆目標的位置和測光信息。

2．2 大視場紅外搜尋探測器WISE(the wide-field infrared survey explorer)

WISE［3］于2009年12月14日在加州范登保空軍基地搭載德爾塔2型火箭發(fā)射，并送入525 km高度的太陽同步極地軌道。WISE望遠鏡口徑為400 mm，f數(shù)為3．375。探測器的像元數(shù)為1024×1024，在3．4 μm，4．6 μm，12 μm，22 μm 四個波段完成了對99%空域的搜索。探測器像素的增加使得WISE擁有更高的靈敏度，在相應(yīng)的波段都大大超過IRAS及COBE。望遠鏡內(nèi)含10塊曲面鏡和2塊反射鏡，都有鋁制成并在表面包裹一層黃金以增加紅外輻射反射率?？臻g觀測搜索避開并遠離最大光熱源－太陽，可保證光學系統(tǒng)低溫和來自太陽的散射。但是全空域搜索必須觀測與太陽成90°的黃道極點，WISE采取以太陽為中心從北黃道極點搜索到南黃道極點的策略，在半年時間內(nèi)完成了全空域搜索。搜索陣列參數(shù)如表2所示。WISE外部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

表2 搜索陣列參數(shù)Tab．2 survey array parameter

圖2 WISE外部結(jié)構(gòu)圖Fig．2 external structure ofWISE

WISE共搜集了15．6 TB的圖像和數(shù)據(jù)，主要釋放數(shù)據(jù)包括初始搜索數(shù)據(jù)、全天搜索數(shù)據(jù)、三波段(3．4 μm，4．6 μm，12 μm)低溫數(shù)據(jù)。初始搜索數(shù)據(jù)覆蓋57%空域，包含10464幅全波段FITS格式圖像集、257310278顆目標的位置和測光信息。全天搜索數(shù)據(jù)覆蓋了大于99%的空域，包含全天圖像集包含18240幅全波段FITS格式圖像集、563921584顆目標的位置和測光信息。三波段(3．4 μm，4．6 μm，12μm)低溫數(shù)據(jù)覆蓋30%空域，包括5649幅三波段FITS格式的圖像。261418479顆目標的位置和測光信息。

2．3 2 μm 巡天2MASS(twomicron all sky survey)

2MASS［4］利用兩臺高度自動化望遠鏡，一臺位于美國西南部亞利桑那州Hopkins山，一臺位于智利Tololo山，每臺望遠鏡均配有3通道照相機，望遠鏡采用卡塞格倫(Cassegrain)結(jié)構(gòu)，f數(shù)為 13．5，口徑為1．3 m。因為CCD器件及近紅外陣列融合技術(shù)的問題，放棄選擇 I波段(0．8 μm)。在J(1．25μm)，H(1．65 μm)，Ks(2．17 μm)波段同時觀測，每通道包含256×256像素的CCD陣列。北半球的觀測于1997年6月開始，南半球的觀測于1998年3月開始，2001年1月兩半球同時完成觀測。2003年發(fā)布全天數(shù)據(jù)。紅外相機參數(shù)如表3所示。

表3 紅外相機參數(shù)Tab．3 survey array parameter

觀測期間，2MASS大約收集了24．5 TB的原始數(shù)據(jù)，覆蓋了99．998%的天空。2MASS釋放的數(shù)據(jù)包含近紅外星表和圖像數(shù)據(jù)。全天釋放數(shù)據(jù)產(chǎn)品包含:一個包含470992970顆點源目標的位置和測光信息的點源星表，點源星表覆蓋了99．997%的天空;一個包含1647599顆展源目標的位置、測光和基本輪廓的展源星表(extended source catalog，ESC)，該星表中大部分為星系;一個包含超過4121439幅J，H，和Ks的FITS格式圖像集。

2．4 斯皮澤空間望遠鏡(Spitzer space telescope)

斯皮澤太空望遠鏡［5］于2003年8月25日發(fā)射。望遠鏡主鏡口徑為850 mm，工作時冷卻至5．5 K。攜帶儀器包括紅外陣列相機(IRAC)、紅外光譜儀(IRS)、多譜段成像分度計(MIP)。因為紅外輻射是熱輻射，為了更好地獲取精確的觀測數(shù)據(jù)，必須降低望遠鏡自身的熱輻射，Spitzer選用獨特的地球跟蹤太陽軌道，這樣便不必攜帶大量的制冷劑，顯著的降低了費用。Spitzer分為“低溫”和“室溫”兩部分在保證望遠鏡正常工作的情況下有效的降低了自身熱輻射。其中紅外陣列相機IRAC在3．6μm，4．5 μm，5．8 μm，8．0 μm 中心波段對指定的目標區(qū)域進行搜索。陣列相機參數(shù)如表4所示。Spitzer外部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

表4 陣列相機參數(shù)Tab．4 IRAC parameter

圖3 Spitzer外部結(jié)構(gòu)圖Fig．3 external structure of Spitzer

此外還包括一些對指定的空域進行搜索的巡天任務(wù)。宇宙背景探測器COBE(cosmic background explorer)于1989年11月發(fā)射升空，目的是調(diào)查宇宙間的宇宙微波背景輻射(CMB)。COBE上攜帶了微差微波輻射計(DMR)、遠紅外線游離光譜儀(FIRAS)、漫射紅外線背景實驗(DIRBE)。中段實驗衛(wèi)星 MSX(the midcourse space experiment)，MSX［6］上搭載紅外探測儀器SPIRITⅢ，主要對太空中波紅外進行搜索。MSX對IRAS及COBE遺漏的區(qū)域和使敏感度下降的高亮度、擴展源區(qū)域進行了覆蓋搜索。MSX發(fā)布的1．0版本的星表共包含329312個目標，其中包含銀河平面搜索的323052個目標，和6260個對IRAS遺漏的區(qū)域搜索的目標。

3 歐洲紅外天文望遠鏡

3．1 太空紅外天文臺ISO(infrared space observatory)

ISO［7］由歐洲11國共同建設(shè)，并與美國國家航空航天局與日本宇宙科學研究所(2003年并入JAXA)合作完成。ISO于1995年11月在法屬圭亞那發(fā)射升空，運行在地球高軌橢圓軌道。1979年，ESA根據(jù)IRAS提出ISO計劃。由于紅外探測器件的飛速發(fā)展，ISO性能大幅提升，在12μm波段，ISO靈敏度是IRAS的1000倍，角分辨率是其100倍。ISO望遠鏡主鏡口徑600 mm，焦距900 mm，f數(shù)為15，采用Ritchey-Chrétien結(jié)構(gòu)。ISO上攜帶了紅外相機(ISOCAM)、照相偏正測量儀(ISOPHOT)、短波分光計(SWS)、長波分光計(LWS)。與IRAS將數(shù)據(jù)先在衛(wèi)星上記載隨后轉(zhuǎn)發(fā)至地面不同，ISO所有的科學數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)都實時傳至地面。但由于ISO的近地點低于地面接收站無線電地平線，當衛(wèi)星處于近地點時強制關(guān)閉星上設(shè)備。ISO外部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 ISO外部結(jié)構(gòu)圖Fig．4 external structure of ISO

3．2 赫歇爾太空天文臺(Herschel space observatory)

Herschel［8］于 2009 年 5 月發(fā)射升空，是歐空局ESA目前在軌運行最大的空間望遠鏡。衛(wèi)星為三軸穩(wěn)定，指向精度小于3．7″。望遠鏡采用 Cassegrain結(jié)構(gòu)，作用波段在遠紅外至亞毫米(55～671μm)。望遠鏡f數(shù)為8．70，口徑為3500 mm，是目前口徑最大的太空望遠鏡。其材料采用碳化硅而不是常用的玻璃。望遠鏡工作時間取決于制冷劑的持續(xù)時間，大約20000 h可供天文研究，其中32%對外界公開。Herschel上搭載了光電探測器陣列相機和光譜儀(PACS)、光譜和光度成像接收機(SPIRE)、遠紅外外差儀器(HIFI)。Herschel外部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 Herschel外部結(jié)構(gòu)圖Fig．5 external structure of Herschel

4 日本紅外天文望遠鏡

紅外太天文衛(wèi)星(AKARI)。AKARI［9］是由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)和歐洲、韓國部分機構(gòu)合作開發(fā)。衛(wèi)星于2006年2月在日本鹿兒島縣的內(nèi)之浦宇宙空間觀測所(uchinoura space center)由M－V火箭發(fā)射至太陽同步軌道。衛(wèi)星上搭載了遠紅外搜尋器(FIS)、紅外相機(IRC)。望遠鏡采用Ritchey-Chretien反射式望遠鏡結(jié)構(gòu)。焦距為4．2 m，口徑為685 mm，制作材料為碳化硅，可以有效地減輕望遠鏡的質(zhì)量，這也是歷史上首次在太空望遠鏡上選擇用碳化硅作為主鏡的材料。AKARI第一階段在遠紅外波段(FIS)和中紅外波段(IRC)對全空域進行搜索，第二階段在遠紅外波段(FIS)對第一階段搜索遺漏空缺進行搜索。最終，IRC在9μm及18μm波段對96% ～97%的空域進行了兩次以上的搜索。紅外相機參數(shù)如表5所示。

表5 紅外相機參數(shù)Tab．5 survey array parameter

圖6 AKARI外部結(jié)構(gòu)圖Fig．6 external structure of AKARI

表6 光學系統(tǒng)參數(shù)Tab．6 optical system parameter

AKARI/IRC點源星表1．0版本，包括870973個目標的位置和測光信息，其中844649個9μm波段目標和194551個18μm波段目標，168227個在兩個波段都探測的目標。AKARI外部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。光學系統(tǒng)參數(shù)如表6所示。

5 結(jié)論

縱觀美國、歐洲、日本的紅外搜尋計劃及紅外天文望遠鏡的研制發(fā)展，我們可以發(fā)現(xiàn)隨著紅外探測相關(guān)技術(shù)水平的發(fā)展，極大提升了紅外觀測設(shè)備的性能，為人類獲取更多的宇宙、星體紅外輻射的信息提供支持。未來紅外天文望遠鏡的發(fā)展呈現(xiàn)以下幾個特點及趨勢:①望遠鏡光學系統(tǒng)的口徑將不斷增大，大口徑意味著更強大的探測能力，也對相關(guān)技術(shù)提出更高的要求;②紅外天文探測波段覆蓋面將更廣，測光精度將會進一步提高;③更加開放式的觀測數(shù)據(jù)分析研究。目前在IPAC及ESA網(wǎng)站已公開部分巡天數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)處理工具供研究使用，提供很好的科研學習平臺;④國際間合作將更加緊密。在大型紅外天文望遠鏡項目上，即便對于實力雄厚的歐美大國也無法獨自完成，各國間深入合作發(fā)揮各自優(yōu)勢已成為趨勢。

［1］ Hao Yunxiang，Chen Zhengsheng，Zhou Keping．Introduction of infrared astronomy［M］．Beijing:Peking uiniversity Press，1993．(in Chinese)郝允詳，陳增生，周克平．紅外天文學導(dǎo)論［M］．北京:北京大學出版社，1993．

［2］ G Neugebauer，H JHabing，R Van Duinen，et al．The infrared astronomical satellite(IRAS)mission［J］．The Astrophysical Journal，1984，278:L1 － L6．

［3］ Edward LWright，Peter R M Eisenhardt，et al．The widefield infrared survey explorer(WISE):mission description and initial on-orbit performance［J］．The Astronomical Journal，2010，140:1868 －1881．

［4］ M F Skrutskie，R M Cutri，R Stiening，et al．The two micron all sky survey(2MASS)［J］．The Astronomical Journal，2006，131:1163 －1183．

［5］ M W Werner，T L Roellig，F(xiàn) J Low，et al．The spitzer space telescope mission ［J］．The Astrophysical Journal，Supplement Series，2004，154:1 －9．

［6］ M PEgan，S D Price，M Cohen，et al．The midcourse space experiment point source catalog version 1．2 explanatory guide［J］．Air Force Research Laboratory Technical Report，No．AFRL －VS－TR －1999 －1522．

［7］ Kessler M F，Muller TG，Arviset C，et al．The ISO handbook，volume I:ISO-Mission overview［J］．Earlier Versions，SAI－2000 －035/Dc．

［8］ Goran LPilbratt．HerschelMission Overview and Key Programmes［C］．Proc．SPIE 7010，2008．

［9］ H Kataza，C Alfageme，A Cassatella，et al．AKARI/IRC All-Sky Survey Point Source Catalogue Version 1．0(Release Note(Rev．1)，2010．