太空望远镜开普勒“退休” 斯皮策将接任

2020-03-27 00:50 来源:未知

—— 大有可为 ——

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。

篮球世界杯赌球 1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

“当然,如果可能,对‘斯皮策’进行一些技术改造,以提高其探测行星的能力就再好不过了。至于能进行哪些改造,要等美国航空航天局的科学家们经过仔细研究后才能弄清楚。只是‘斯皮策’已经离我们很远了,实行大的改造措施比较困难。”

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。

篮球世界杯赌球 2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

在吴鑫基看来,用“斯皮策”探索发现系外行星主要应靠间接方法,即检测行星对母恒星造成的微小影响来判断行星的存在和质量或大小。其中最有效的两个方法是晃动法和凌星法。

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。

篮球世界杯赌球 3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

尤其值得一提的是,“斯皮策”上天10年,可谓硕果累累。尤其是前5年,在超低温条件下工作,成绩更是辉煌。

篮球世界杯赌球 4NASA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

太空望远镜开普勒“退休” 斯皮策将接任

篮球世界杯赌球 5NASA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

“‘斯皮策’可不是‘老古董’,它是当今可以与哈勃太空望远镜媲美的探测宇宙奥秘的四大天王之一。”听到有人称“斯皮策”是“老古董”,北京大学天文系教授吴鑫基赶紧纠正说。

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。

篮球世界杯赌球 6GN-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。

篮球世界杯赌球 7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。

例如,“斯皮策”装在一侧的太阳能电池板和绝热罩总是对准太阳,保证望远镜时刻都在阴影之中。“斯皮策”尾随地球的轨道也使得它与地球散发出的热量保持了一定的距离。而望远镜的物理设计也利用了空间环境天然的制冷作用。由此“斯皮策”每天只需要使用28克液氦就能维持仪器所需的工作温度。

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。

斯皮策太空望远镜究竟为何物,美国航空航天局为何对它青睐有加,用“斯皮策”接替“开普勒”需不需要进行改造,存在哪些困难?带着这些问题,记者采访了相关专家。

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。

篮球世界杯赌球 8TRAPPIST-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

其次,它可以寻找太阳系之外的行星。由于行星只是反射其母星的光,其体积远比母星小,且在可见光波段行星比它的母星要暗100亿倍。但是,有些比较年轻的行星的红外辐射比较强,而它们的母星的红外辐射又相对弱一些,所以行星与母星的红外强度之比就不像可见光波段那么悬殊。因此,用“斯皮策”在红外波段比可见光波段发现行星要容易得多。

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。

只因与“开普勒”观测波段基本相同

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。

探测太阳系外行星“斯皮策”不是门外汉

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。

篮球世界杯赌球 9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)

尽管斯皮策太空望远镜有着非常出色的稳定性,但是有专家认为观测过境行星依然存在困难,恒星光线在行星过境时出现的周期性变化可能干扰望远镜的工作模式,使得测量系外行星的任务变得棘手。

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。

篮球世界杯赌球 10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。

篮球世界杯赌球,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

高的灵敏度对遥远星系的观测也显示出巨大的优越性,能揭示早期宇宙图景。

但让吴鑫基欣慰的是,尽管“斯皮策”上天已经超过10年,到2009年所携带的“冷却剂”已经耗尽。但由于它本身反射并驱散多余热量的能力可以使它的温度满足其红外照相机阵列4个通道中的两个正常运转,2012年,“斯皮策”依然发现了系外行星。

对此,吴鑫基认为,“开普勒”是专用的检测行星的设备,其采用凌星法能够检测出光度微小的变化。像地球这样大小的行星从母恒星前面经过所造成的亮度变化,相当于一只很小的跳蚤飞过汽车大灯时造成的影响。“开普勒”所携带的探测器可以把这种微小的亮度变化检测出来,能力非常强。

而“斯皮策”携带了红外阵列照相机、红外摄谱仪和多波段成像光度计,具备应用晃动法和凌星法来探测系外行星的能力,同时还具备探测行星大气成分及温度的能力。但就凌星法探测系外行星来说,其灵敏度比“开普勒”要差一些。“开普勒”具有口径达到95厘米,像素为9500万的CCD相机,这是迄今为止在太空中工作的最大的相机。而“斯皮策”的红外相机就要差一些。

吴鑫基进一步解释道,这探测宇宙奥秘的“四大天王”分别是哈勃太空望远镜(可见光、紫外和近红外)、康普顿γ射线天文台、钱德拉X射线天文台和斯皮策红外太空望远镜,它们彼此的观测波段不同,具有各自的优势。对探测太阳系外行星来说,“斯皮策”不是门外汉,而是已经做出很大贡献的“行家里手”。

“这导致恒星有时是离我们而去,有时则向我们而来,也就是晃动起来。由于晃动,这颗恒星的光谱有时稍微有点红移,有时稍微有点紫移。通过光学天文望远镜的光谱分析法可以测量出光谱的变化,从而发现恒星的晃动,进而根据晃动的情况估计出行星质量的大小。”

—— 雀屏中选 ——

这一年,它还发现了首个“富碳”系外行星WASP-12b,这个行星的体积是木星的1.5倍,离母恒星很近,温度很高。其碳含量高于氧含量,而一般系外行星的碳含量只有氧的一半。

2010年3月,有研究人员利用斯皮策太空望远镜发现了两个最小的类星体,分别是J0005-0006类星体和J0303-0019类星体,距离地球130亿光年。

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