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谈谈“斯皮策”眼里的宇宙

2019-10-06 作者:科学动态   |   浏览(195)

图片 1NASA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

望远镜是我们探索宇宙奥秘的“眼睛”。有这样一架望远镜,至今已工作近16年,远超预计的5年服役期,不仅工作时间长,还出色地完成了很多重大发现,这就是斯皮策空间望远镜。

(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。

斯皮策空间望远镜由美国航空航天局于2003年发射,以美国天文学家莱曼·斯皮策的名字命名。它的运行轨道非常独特——始终躲在地球的后面,与地球保持同样的角速度绕太阳运转,免受太阳光直射。这相当于提供了一个天然冷却源,能让望远镜少带一些液氦,减轻了重量,也节省了资金。

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。

“斯皮策”装有3台观测仪器,工作在波长为3微米—180微米的红外线波段。多年来,它不断为地球传输回宇宙的壮观景象,完成了以下几大科学目标:

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。

一是寻找太阳系之外的行星。“斯皮策”确认发现了7颗地球大小的系外行星,它们围绕着某星系中一颗恒星运行。这是迄今为止人类在单个星系中发现与地球体积相似的行星最多的一次。而且,其中3颗行星位于恒星周围的“宜居带”,那里的温度可能支持行星表面的液态水。此外,观测结果也让科学家们了解了这些行星的大小和质量,可用来判定行星的组成范围。

图片 2NASA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

二是探索行星是怎样形成的。目前,它已发现了太阳系远处几次岩石碰撞的证据。这种类型的天体碰撞在太阳系的早期很常见,并在行星的形成中起到了一定作用。“斯皮策”还发现了一颗年轻恒星周围的尘埃喷发,这可能是两颗较大的小行星相撞导致的。科学家对喷发进行了观测,第一次收集到了这些尘埃喷发前后系统的数据。

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。

图片 3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)

三是研究陌生的河外星系。相较于可见光,大多数情况下,红外线可以直接“看穿”气体云和尘埃云。“斯皮策”可以透过翻滚涌动的宇宙尘埃,发现新诞生的恒星。它拍摄的一张照片,就清晰地显示了一颗新生恒星从孕育它的尘埃云中诞生的场景,令人震撼。

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。

图片 4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

四是观测遥远星系,揭示早期宇宙图景。在大多数星系的核心,都暗藏一个质量超大却无法看到的星体。利用斯皮策空间望远镜,科学家们发现了迄今为止最遥远的两个超大质量黑洞,让我们得以一窥宇宙中星系形成的历史。2011年,天文学家利用“斯皮策”探测到一个非常遥远的星系群。分析认为,我们看到的实际上是它们120亿年前的景象,可能正处于“原始星系团”的状态,而它们最终会发展成为现代星系团,这为科学家研究宇宙发展演化史提供了宝贵参考。

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。

图片 5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

此外,科学家还利用该望远镜的红外视觉绘制出第一幅系外行星的“天气地图”;得益于其低温探测能力,人们首次发现距离土星600万公里还围绕着一圈“大光环”……计划2021年发射的韦伯空间望远镜,将代替超期服役的“斯皮策”继续在红外波段探索宇宙,未来也许有更多令人期待的发现。

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。

图片 6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

作者为北京天文馆副编审)

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。

图片 7TRAPPIST-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

《 人民日报 》( 2019年04月02日 18 版)

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。

图片 8GN-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。

图片 9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。

图片 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。

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)

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关键词: 必威登录网站 NASA 斯皮策 空间