紅外空間望遠鏡簡史

文/杜威

天文學家最討厭陰天，沒有什么比不能看到點點繁星更加糟糕的事情了。然而縱使在萬里無云的夜空，我們也只能看到可見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策。然而，在這些波段可以看到許多可見光看不到的細節(jié)，對于天文學具有重要意義，諸如在紅外波段我們可以觀測到年輕的恒星、行星與原始星系，這對解析宇宙、銀河系、太陽系甚至地球與生命的起源有重要意義。

天文學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)射空間望遠鏡衛(wèi)星，前往地球大氣層之外進行觀測。

氣球與飛機觀測

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

1974 年，一架改裝過的洛克希德C-141 運輸機飛上云霄，在14 千米高的平流層進行紅外觀測，這就是在當年被紅外天文學家視為珍寶的美國宇航局柯伊伯機載天文臺（Kuiper Airborne Observatory，KAO）。這架飛機搭載了一部口徑0.915 米的反射式望遠鏡，在巡航高度可以觀測到85%的紅外波長。相比原來隨風飄逝的氣球，這架飛機可以提供更加穩(wěn)定的觀測條件，能連續(xù)觀測7.5 小時以上?？乱敛畽C載天文臺總共進行了1417 次飛行，獲得了豐厚的觀測成果，極大推動了紅外天文學的發(fā)展。它拍攝了來自銀河系中心和其他星系的遠紅外圖像，研究了恒星形成區(qū)域中水和有機分子的分布，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?？乱敛畽C載天文臺于1995 年功成身退。

▲ 地球大氣對不同波段電磁波的吸收率示意圖

▲ 不同波段下的蟹狀星云，可以觀測到不同細節(jié)的影像

相比發(fā)射天文觀測衛(wèi)星，機載天文臺具有成本低、便于人工維護等優(yōu)點，因此現(xiàn)在依然有發(fā)展與應(yīng)用。在柯伊伯機載天文臺退役后，美國宇航局開始研發(fā)性能更加強勁的索菲亞平流層紅外天文臺（SOFIA），并于2010 年首次觀測。這架改裝過的波音747 寬體機在機尾部分有一面高5.5米、寬4.1 米的門，內(nèi)部搭載了一部直徑2.5 米的反射式望遠鏡，并且可以在夜間連續(xù)飛行10 小時?！八鞣苼啞蹦壳叭栽谝?，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)的物理化學性質(zhì)，并探索恒星和其他恒星的形成過程。

▲ 柯伊伯機載天文臺與其望遠鏡特寫

▲ 索菲亞平流層紅外天文臺與其望遠鏡特寫

▲ IRAS 拍攝的紅外全天巡天圖像

紅外天文衛(wèi)星（IRAS）

雖然機載紅外天文臺的成本較低，但依舊有15%的紅外光無法看到，同時無法避免飛機抖動的影響。因此，發(fā)射紅外波段的空間望遠鏡仍是最佳選擇。1983 年1 月25 日，美國、荷蘭與英國聯(lián)合發(fā)射了世界上第一款紅外空間望遠鏡——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，運行于900 千米高的太陽同步軌道上。這是人類第一次完全規(guī)避地球大氣的影響，毫無遮攔地在紅外波段進行天文觀測。IRAS 在12 微米、25 微米、60 微米、100 微米4 個不同的波段對96%的天空進行了掃描，獲得了全世界第一幅紅外全天巡天圖像，開創(chuàng)了天基紅外天文學的先河。IRAS 共發(fā)現(xiàn)大約35 萬個紅外發(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。因為紅外光的強度與物體的溫度有相關(guān)性，所以衛(wèi)星本身也會發(fā)出紅外線。為了規(guī)避衛(wèi)星本身紅外線的影響，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)，可以將望遠鏡冷卻到-271℃（2開爾文）的極低溫度。這些液氦資源是有限的，在工作9 個月零26 天后液氦耗盡，IRAS 溫度升高，影響了其正常觀測，任務(wù)結(jié)束。

紅外空間天文臺（ISO）

1995 年11 月17 日，由歐空局主導，在日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)和美國宇航局的合作下，紅外空間天文臺（Infrared Space Observatory，ISO）成功發(fā)射。與IRAS 相比，ISO的性能指標有了進一步的提升，它重2.5 噸，主鏡直徑為0.6 米，運行于近地點1000 千米、遠地點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，與地球自轉(zhuǎn)速度一致，也與地面科研人員作息一致，有利于提高天文臺的使用效率。

▲ ISO 的主鏡

▲ ISO 的長波光譜儀備份件

ISO 的設(shè)計指標參照IRAS 進行了提升，同時攜帶4 臺觀測儀器使它的觀測波長范圍拓展到了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“見微知著”。此外，它攜帶的液氦制冷劑達到了283 千克，使它的使用壽命進一步延長，達到了接近兩年半。

ISO 取得的觀測成果豐碩。原本天文學家認為行星只能在年輕的恒星周圍形成，但ISO 在垂死的恒星周圍發(fā)現(xiàn)了年輕的行星，拓展了理論認知。ISO通過攜帶的紅外光譜儀性能優(yōu)異，通過對光譜的識別可以確定遙遠天體的物質(zhì)組成，比如ISO 測量了太陽系內(nèi)幾顆行星大氣的化學組成，并且首次在星際氣體云中檢測到氟化氫分子，還在獵戶座大星云中探測到水分子的存在。

斯皮策空間望遠鏡（Spitzer）

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

斯皮策空間望遠鏡于2003 年8月發(fā)射，重量只有0.95 噸，但是主鏡直徑卻達到了0.85 米，因為主鏡采用了輕質(zhì)金屬鈹。更加先進的制冷技術(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 年時間。斯皮策空間望遠鏡選擇了一條特殊的地球追蹤軌道。在這一軌道上，望遠鏡將逐年遠離地球，以進一步降低地球這一紅外熱源對觀測的影響，同時降低液氦使用量。

▲ 斯皮策望遠鏡觀測模擬圖

▲ 斯皮策望遠鏡拍攝的“上帝之眼”螺旋星云，藍色對應(yīng)波長3.6 到4.5 微米，綠色對應(yīng)波長5.8 到8 微米，紅色對應(yīng)波長24 微米

斯皮策望遠鏡攜帶了3 臺觀測儀器，探測波段為3.6～160 微米。最為著名的探測成果，是它在2005 年成為第一部直接捕捉到來自系外行星的望遠鏡。2006 年3 月，斯皮策望遠鏡在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個80 光年長的雙螺旋星云。據(jù)天文學家分析，它之所以扭曲成雙螺旋形狀是因為其中心存在一個超大質(zhì)量黑洞，黑洞產(chǎn)生的巨大磁場造成光路偏轉(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，這導致遠紅外波段的觀測工作終止。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、原恒星等遙遠且黯淡的天體，這一段時期被稱作“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（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（Herschel Space Observatory），這部空間望遠鏡以發(fā)現(xiàn)天王星的天文學家威廉·赫歇爾、卡羅琳·赫歇爾兄妹命名。它是在詹姆斯·韋伯空間望遠鏡發(fā)射前世界上最大的空間望遠鏡，重3.4 噸，擁有一部主鏡直徑3.5 米的望遠鏡。更大的口徑可以帶來更加強勁的觀測能力，赫歇爾空間天文臺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鏡。波長如此長的紅外線可以穿過星際氣體和塵埃，使赫歇爾空間天文臺可以看清灰塵遮蓋的神秘區(qū)域。

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

▲ 赫歇爾空間天文臺的主鏡

▲ 赫歇爾空間天文臺拍攝的玫瑰星云，藍色對應(yīng)波長70 微米，綠色對應(yīng)波長160 微米，紅色對應(yīng)波長250 微米

赫歇爾空間天文臺運行在距離地球150 萬千米遠的拉格朗日L2 點，在這一點可以在盡可能遠離太陽、地球、月球這三大紅外熱源的同時，保證觀測能力、電力供應(yīng)與通信能力的效益最大化。赫歇爾空間天文臺探測了宇宙早期的星系演化過程，觀察了恒星形成及其與星際介質(zhì)的相互作用，并且測量了太陽系內(nèi)行星、彗星和衛(wèi)星的大氣化學成分。

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

▲ 寬視場紅外測量探測器觀測模擬圖

赫歇爾空間天文臺在2011 年8月發(fā)現(xiàn)星際空間中存在氧氣分子，在同年10 月還通過測量哈特利2 號彗星中氘含量，表明地球上的大部分水最初可能來自彗星撞擊。受益于日益發(fā)展的計算機技術(shù)，這部望遠鏡數(shù)據(jù)收集與存儲能力大大提升，在2013 年退役后依舊留下了巨量的科學數(shù)據(jù)等待天文學家處理。2014 年1 月，歐空局天文學家使用赫歇爾的數(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，天文學家們才將“赫歇爾”留下的探測數(shù)據(jù)分析完畢。

寬視場紅外測量探測器（WISE）

寬視場紅外測量探測器（Widefield Infrared Survey Explorer，WISE）是美國宇航局在2009 年12 月14 日發(fā)射的小型紅外空間望遠鏡。它只有0.66 噸重，配有一部直徑0.4 米的主鏡，運行在525 千米高的太陽同步軌道上。這顆衛(wèi)星與先前的紅外空間望遠鏡相比規(guī)格較小，是因為它承擔的任務(wù)有所差異。WISE 將專注于在3.3、4.7、12 和23 微米的波段對全天進行快速成像，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 萬張之多。根據(jù)這些圖像，天文學家發(fā)現(xiàn)了太陽系內(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)了太陽系外一種全新的褐矮星。10 個月后，WISE 攜帶的液氦耗盡，進入休眠模式。

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險的小行星。截至2021 年底這顆小巧的空間望遠鏡還在發(fā)揮余熱，美國宇航局將它的任務(wù)期限至少延長到了2023 年6 月。

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

▲ 詹姆斯·韋伯空間望遠鏡巨大的主鏡

▲ 羅馬空間望遠鏡模擬圖

▲ 起源空間望遠鏡模擬圖

未來可期

在赫歇爾空間天文臺退役后，國際天文學界已經(jīng)為其接任者做好了初步規(guī)劃。首先是美國宇航局與歐空局合作的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，它擁有一部直徑6.5 米的巨大主鏡，將專注于接收從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，打破世界上最大空間望遠鏡的記錄。其技術(shù)達到了目前人類能夠達到的巔峰。

美國還有多枚紅外空間望遠鏡的中遠期發(fā)射計劃，包括于2027 年發(fā)射的南?！じ窭姿埂ち_馬空間望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）、2035 年發(fā)射的起源空間望遠鏡（Origins）等。羅馬空間望遠鏡配備一部直徑2.4 米的寬視場主鏡，它將探索宇宙膨脹的歷史和宇宙結(jié)構(gòu)的變化，并精確測量宇宙中暗能量的影響，驗證時空曲率、廣義相對論的一致性。起源空間望遠鏡的設(shè)計更為搶眼，它將擁有一部直徑達8 到15 米的巨大主鏡，將在遠紅外波段實現(xiàn)觀測能力的飛躍，其角分辨率與赫歇爾相比提升了10000 倍以上。

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

人類的好奇心是偉大的，它帶領(lǐng)人類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鏡的技術(shù)支持，只有通過這些冰冷的望遠鏡，人類才能“不畏浮云遮望眼”，點燃一代代人澎湃又熾熱的心。

▲ 世界主要紅外空間望遠鏡主鏡大小及主鏡溫度對比圖 作者譯，有改動