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斯必澤空間望遠鏡

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斯必澤空間望遠鏡(Spitzer Space Telescope,縮寫為SST)是美國宇航局2003年發射的一顆紅外天文衛星,是大型軌道天文台計劃的最後一台空間望遠鏡。斯必澤空間望遠鏡耗資8億美元,原名為空間紅外望遠鏡設備(SIRTF),2003年12月,經過公眾評選,該衛星以空間望遠鏡概念的提出者、美國天文學家萊曼·斯必澤的名字命名。望遠鏡工作在波長為3-180微米的紅外波段,以取代先前的紅外線天文衛星(IRAS)。

1 斯必澤空間望遠鏡 -簡介

(圖)20世紀的偉大科學家斯必澤(1914~1997年) 20世紀的偉大科學家斯必澤(1914~1997年)

哈勃空間望遠鏡它於1990年4月發射升空,到目前已經在太空中工作了16年半,獲得了大量的精彩圖像和激動人心的新發現,使人類對宇宙的認識得到了極大的擴展和突破。這裡,我們要給大家介紹的是能與「哈勃」媲美的另外一架空間望遠鏡,它的名字叫「斯必澤」。與「哈勃」一樣,它也是用一位著名天文學家的名字命名的。斯必澤(Lyman Spitzer,Jr.1914~1997年)是20世紀最偉大的科學家之一,在天體物理方面做出了傑出貢獻,他也是最早提議將望遠鏡送入太空的人。雖然「斯必澤」與「哈勃」都是在太空工作的望遠鏡,但是「斯必澤」是觀測天體紅外波段的望遠鏡,而「哈勃」是以光學觀測為主的望遠鏡,這兩台望遠鏡工作的波段不相同。

斯必澤空間望遠鏡雖然不比它口徑大很多,但得益於紅外探測設備的快速發展,性能上有了顯著的提高。2003年8月25日,斯必澤空間望遠鏡在美國佛羅里達州的卡納維拉爾角由德爾塔Ⅱ型火箭發射升空,運行在一條位於地球公轉軌道後方、環繞太陽的軌道上,並以每年0.1天文單位的速度逐漸遠離地球,這使得一旦出現故障,將無法使用太空梭對其進行維修。

2 斯必澤空間望遠鏡 -構造

斯必澤空間望遠鏡斯必澤空間望遠鏡天體的各種輻射及其波長

斯必澤空間望遠鏡總長約4米,重量為950千克,主鏡口徑為85厘米,用鈹製作。除此之外還有3台觀測儀器,分別為:

紅外陣列相機(IRAC),大小為256×256像素,工作在3.6、4.5、5.8和8微米4個波段。
紅外攝譜儀(IRS),由4個模塊組成,分別工作在5.3-14微米(低解析度)、10-19.5微米((高解析度)、14-40微米(低解析度)和19-37微米(高解析度)。

多波段成像光度計(MIPS),工作在遠紅外波段,由3個探測器陣列組成,大小分別為128×128像素(24微米)、32×32像素(70微米)和2×20像素(160微米)。

為避免望遠鏡本身發出的紅外線干擾,主鏡溫度冷卻到了5.5K。望遠鏡本身還裝有一個保護罩,為的是避免太陽和地球發出的紅外線干擾。

銀盤上充滿了大量的塵埃和氣體,阻擋了可見光,因此在地球上無法直接用光學望遠鏡觀測到銀河系中心附近的區域。紅外線的波長比可見光長,能夠穿透密集的塵埃,因此紅外觀測能夠幫助人們了解銀河系的核心、恆星形成,以及太陽系外行星系統。

3 斯必澤空間望遠鏡 -探秘

斯必澤空間望遠鏡斯必澤空間望遠鏡

科學家們為「斯必澤」制定了四大科學目標。第一,尋找太陽系之外的行星。這是天文學家多年以來持之以恆的一個努力方向。在可見光波段很難發現它們,因為行星的光芒會被恆星的光芒淹沒。而在紅外波段,恆星與行星的光譜特徵具有明顯的區別,所以在紅外波段就可能比較容易發現太陽系以外其他恆星周圍的行星。

第二,探索行星是怎樣形成的。按照目前流行的理論,行星是在恆星周圍的塵埃盤中形成的。通過觀察不同演化階段的塵埃盤,得出有關行星形成的過程。這項工作在可見光波段也很難完成,因為塵埃的遮擋使我們看不清那裡發生了什麼事情。紅外觀測則能夠穿透塵埃的阻擋,揭示出那裡面的奧秘。

第三,研究陌生的河外星系。在「斯必澤」升空之前,歐洲的「紅外天文衛星」發現一些在紅外波段輻射很強而可見光輻射卻很弱的河外星系,這些星系大多數都是正在合併或者正在發生相互作用的星系。還有一些星系具有一個能夠釋放巨大能量的星系核,叫做活動星系。人類對於具有強烈紅外輻射的星系和活動星系都還了解得比較少,「斯必澤」的第三項科學目標就是大力開展對這些陌生星系的觀測和研究,以便更深入地了解它們。
 
第四,觀測遙遠星系,揭示早期宇宙圖景。哈勃空間望遠鏡曾經拍攝到130億光年之遙的宇宙深空,那裡密密麻麻分佈著很多星系。遠在130億光年之遙的光需要130億年的時間才能到達我們這裡,所以我們看到的應該是130億年以前宇宙的圖景。「哈勃」的觀測集中在可見光和紫外波段,「斯必澤」的觀測集中在紅外波段,兩者的結合將得到更加完美的觀測成果。

4 斯必澤空間望遠鏡 -研究

如何才能克服大氣層對天體輻射的阻擋與吸收呢?早在20世紀40年代,斯必澤就首次提出要將望遠鏡送入太空去觀測那些被大氣阻擋在外面的天體輻射。隨著空間時代的到來,把望遠鏡送到地球大氣層以外進行天文觀測才成為可能,於是才有了空間望遠鏡。空間觀測設備與地面觀測設備相比,具有極大的優勢。不僅是在地面上觀測不到的紫外線、X射線、γ射線以及大部分紅外波段的天體輻射,空間望遠鏡都能觀測到,而且即使是光學望遠鏡,到了大氣層以外也可以接收到比在地面更寬的波段,短波甚至可以延伸到100納米;而且在太空沒有大氣抖動,分辨本領可以得到很大的提高;空間沒有重力,儀器也不會因自重而變形。

空間觀測具有極大的優越性,但是空間觀測設備造價非常昂貴,既需要高新技術為基礎,又需要大量經費的支持,使得許多弱小國家不得不望洋興嘆。從20世紀90年代開始,美國宇航局(NASA)實施了一項規模浩大的空間探測工程—-「大天文台項目」。這個大項目中共包括四架覆蓋不同波段的空間望遠鏡,號稱「四大天王」。「四大天王」之首是1990年升空的哈勃空間望遠鏡,它的觀測波段主要在可見光,還有一部分紫外和近紅外,至今仍在正常工作。1991年「四大天王」的第二個成員康普頓γ射線天文台發射升空,在γ射線波段探測宇宙,於2000年6月完成任務后被實施人工墜海。「四大天王」的第三個成員是錢德拉X射線天文台,於1999年發射升空,主要在X射線波段探測宇宙深處的高溫高能天體,如黑洞、類星體等。現在也還在正常工作。

「四大天王」的第四個成員就是我們今天的主角——斯必澤空間紅外望遠鏡。20世紀70年代,美國的科學家就開始籌劃空間紅外望遠鏡。起先打算設計成用太空梭搭載的紅外望遠鏡,多次反覆升空進行觀測。1983年以後決定將紅外望遠鏡送到軌道上做長期的觀測。2003年8月25日,在肯尼迪空間中心,由1枚德爾塔2型火箭將它送入太空。「斯必澤」望遠鏡鏡身長4.45米,直徑約2米。望遠鏡主鏡是一個直徑85厘米的透鏡。配有3台觀測儀器,它們是紅外陣列照相機、紅外攝譜儀和多波段成像光度計,能夠拍攝宇宙天體的3~180微米的紅外輻射。望遠鏡總重865千克。這是迄今為止全世界最大的也是靈敏度最高的空間紅外望遠鏡,它超常的靈敏度能夠探測到地面上不可能探測到的信號。望遠鏡耗資大約12億美元。

5 斯必澤空間望遠鏡 -意義

「斯必澤」是接收天體紅外輻射的望遠鏡。這種望遠鏡必須在接近絕對零度(絕對零度=攝氏零下273度)的超低溫條件下才能正常工作。為使它保持超低溫,消除望遠鏡自身散發出的紅外線的影響,保證其檢測到的紅外線都來自於其他天體,必須要給它裝上液體氦或液氫。空間紅外望遠鏡技術複雜,造價昂貴,且壽命短,因為一旦它的液體氦或液氫使用完了,它也就壽終正寢了。「斯必澤」設計的最短壽命為2.5年,目標壽命在5年以上。「斯必澤」是第一台與地球同步運行的太空望遠鏡,它的軌道也非常獨特,是躲在地球的後面,與地球保持同樣的角速度繞太陽旋轉。這個軌道可使望遠鏡免受太陽的直接照射,等於給望遠鏡提供了一個天然的冷卻源,這樣就可以少帶一些液氦,不僅減輕瞭望遠鏡自身的重量,同時也節省了資金。

由於採用了大型紅外陣列成像技術,「斯必澤」可以將目前的觀測範圍擴展上百萬倍,甚至能夠穿越氣團和塵埃去分析恆星的誕生和死亡,幫助科學家揭開未知天體的神秘面紗,了解宇宙早期的模樣。通過斯必澤望遠鏡,天文學家能夠對銀河系及其它星體有更多的了解,尤其是對那些在宇宙大爆炸之後形成的星體進行進一步的觀測。「斯必澤」在太空工作3年來,取得了令人矚目的觀測成果。NASA網站陸續公布了「斯必澤」獲取的大量圖像,使我們的耳目一新,大大地豐富了人類對宇宙的認識。

已到中年的「斯必澤」,目前的工作速度並沒有減慢,仍在幹勁十足地迎接預定觀測時間的最後期限。而負責這個項目的科學家們正在預想在液氦用盡之後讓望遠鏡再小規模運行兩年。因為在冷卻劑耗盡之後,「斯必澤」本身反射並驅散多餘熱量的能力可以使它的溫度滿足其紅外照相機陣列4個通道中的兩個正常運轉。我們想象不到「斯必澤」還會給我們帶來什麼樣的驚喜。有人說斯必澤空間紅外望遠鏡可以和哈勃空間望遠鏡相媲美,甚至能比「哈勃」探索到更深層的宇宙空間,這話的確沒錯。

6 斯必澤空間望遠鏡 -參考資料

[1] 天文在線 http://bbs.bjp.org.cn/html/modules/newbb/viewtopic.php?post_id=87835
[2] 科普諮詢網 http://www.yuhoo.com.cn/htbl/htzs/200902/t20090217_28727.htm
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