韋布又要“鴿”？空間望遠(yuǎn)鏡上天前的一波三折

斯皮策望遠(yuǎn)鏡十周年紀(jì)念照片。版權(quán)／NASA

望遠(yuǎn)鏡上天從來(lái)都不是一件容易的事，最近，NASA就又一次宣布了詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的推遲。韋布的前輩，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope，SST）從最初概念的提出、批準(zhǔn)、到建造和升天，也可謂是一波三折，設(shè)計(jì)上幾易其稿，前后歷時(shí)超過(guò)30年。

初始計(jì)劃里，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡起初被叫做“飛船載紅外望遠(yuǎn)鏡”（SIRTF,S=Shuttle)，后又改名為“空間紅外望遠(yuǎn)鏡”(SIRTF,S=Space)，直到發(fā)射前才正式被定名為“斯皮策”。

斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的名稱(chēng)更替直接反映了它背后的歷史。1971年的設(shè)計(jì)初稿里，是將其作為載荷的一部分，置于當(dāng)時(shí)剛剛出現(xiàn)的宇宙飛船之上的。在之后長(zhǎng)達(dá)12年的時(shí)間里，艾姆斯研究中心和商業(yè)航空公司，也一直是以1米的飛船載太空望遠(yuǎn)鏡為指導(dǎo)思想進(jìn)行著設(shè)計(jì)和研發(fā)。

1983年是對(duì)斯皮策望遠(yuǎn)鏡具有里程碑意義的一年。NASA發(fā)布了相關(guān)的儀器征集，并最終選中了三個(gè)小組，分別由喬瓦尼·法齊奧、吉姆·霍克（JimHouck）和喬治·瑞克（GeorgeRieke）領(lǐng)導(dǎo)。這三個(gè)小組后來(lái)發(fā)展了最終的終端儀器：近紅外測(cè)光儀IRAC、中紅外光譜儀IRS和中紅外測(cè)光儀MIPS。SIRTF成立了最初的科學(xué)工作組，其中的大部分人一直堅(jiān)持著這個(gè)項(xiàng)目，直到20年后斯皮策望遠(yuǎn)鏡終于正式升空。在種種蹉折和延遲下，斯皮策望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)也發(fā)生了變化，從原來(lái)的太空載儀器變成了NASA“偉大的空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃”的成員之一。隨著高空（10萬(wàn)千米）自主飛行器的發(fā)明和實(shí)現(xiàn)，斯皮策望遠(yuǎn)鏡被重新設(shè)計(jì)成了巨型的浸泡在制冷劑中的空間紅外望遠(yuǎn)鏡，名字中的“飛船載”（Shuttle）也改成了“空間”（Space）。

1984年斯皮策望遠(yuǎn)鏡（當(dāng)時(shí)還叫SIRTF）科學(xué)工作小組的第一次會(huì)議在艾姆斯研究所召開(kāi)，后排左起：GeorgeNewton（NASA項(xiàng)目經(jīng)理），Dan Gezari（NASA戈達(dá)德中心），Ned Wright、Michael Jura（加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校），Michael Werner、Fred Witteborn（艾姆斯研究所）。前排左起：Giovanni Fazio（史密松天體物理中心），George Rieke（亞歷桑那大學(xué)），NancyBoggess（NASA 項(xiàng)目科學(xué)家），Jim Houck（康奈爾大學(xué)），F(xiàn)rank Low（亞歷桑那大學(xué)），Terry Herter（康奈爾大學(xué)）。版權(quán)／Michael Werner

然而，原本計(jì)劃在1991年升空的SIRTF在最后一秒鐘被叫停。這主要是受到了哈勃望遠(yuǎn)鏡的波及（哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡剛上天就出現(xiàn)了對(duì)焦的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)航天員多次的艙外活動(dòng)，才于1994年完成了維修任務(wù)）。值此時(shí)機(jī)，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目工程師約翰尼·郭（Johnny Kwok）在1992年提出了更改軌道的建議，把原來(lái)的高空繞地軌道更改為繞日軌道，這樣既可以遠(yuǎn)離地球散發(fā)的熱量對(duì)紅外儀器的干擾，也可以保證望遠(yuǎn)鏡的太陽(yáng)能板擁有固定的日照角度，提高儀器的熱穩(wěn)定性。

不僅如此，繞日軌道的設(shè)計(jì)還提高了望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)范圍，能做到一直有40%的天球可觀(guān)測(cè)，為進(jìn)行深空的反復(fù)長(zhǎng)曝光創(chuàng)造了條件。更深的曝光可以看到更暗更遠(yuǎn)的宇宙，而反復(fù)地觀(guān)測(cè)同一天區(qū)，也有助于進(jìn)行時(shí)域相關(guān)的天文觀(guān)測(cè)。這一軌道更新的建議一經(jīng)提出，立刻得到了天文界的廣泛支持。

之后在1993年的一次會(huì)議上，經(jīng)過(guò)熱烈討論，天文學(xué)家進(jìn)一步?jīng)Q定把原來(lái)“大而全”的設(shè)計(jì)方案改成“小而精”的設(shè)計(jì)，只保留最重要的儀器，來(lái)回答最迫切解決的科學(xué)問(wèn)題。這一原則下，在望遠(yuǎn)鏡本身大小不變的前提下，由原來(lái)完全浸泡在液氦湯底中的設(shè)計(jì)，改成了常溫發(fā)射、抵達(dá)太空軌道后再用液氦冷卻降溫的新方案，極大地節(jié)省了液氦的用量和發(fā)射的載重。新設(shè)計(jì)中，所有的終端設(shè)備都被牢牢固定，只保留了一個(gè)需要移動(dòng)的儀器組件（MIPS的掃描鏡）。盡量在最小的變數(shù)下保障望遠(yuǎn)鏡的成功。

在無(wú)塵實(shí)驗(yàn)室組裝好的望遠(yuǎn)鏡實(shí)物圖。版權(quán)／NASA/SSC

所有硬件的設(shè)計(jì)于1996基本完成。國(guó)家天文臺(tái)的黃家聲研究員，在90年代末20世紀(jì)初時(shí)，曾經(jīng)參與了斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡上天前IRAC儀器的調(diào)試。他口述過(guò)一則逸事。在實(shí)驗(yàn)室階段的IRAC儀器原本同普通相機(jī)一樣，安裝有一個(gè)快門(mén)，以便準(zhǔn)確地估計(jì)曝光時(shí)間，同時(shí)也可以在暗室條件下測(cè)量本底。實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果一直非常順利。然而，就在把IRAC儀器裝上望遠(yuǎn)鏡后，快門(mén)測(cè)試時(shí)偶然發(fā)生了一次故障，停在了關(guān)閉狀態(tài)。如果升空后也發(fā)生這種情況，就意味著“出師未捷身先死”，將直接宣告儀器無(wú)法正常工作。IRAC小組非常擔(dān)心，緊急召集了10名工程師研究原因，最終發(fā)現(xiàn)快門(mén)的失常是金屬棒磁化造成的，也利用翻轉(zhuǎn)電流的方向解決了這個(gè)問(wèn)題。盡管如此，在發(fā)射的最終階段，NASA評(píng)估了風(fēng)險(xiǎn)后，還是做出了不用快門(mén)的決定，讓IRAC“開(kāi)”著上天，進(jìn)一步防止可能的風(fēng)險(xiǎn)。

軟件方面，加州理工學(xué)院的紅外處理分析中心（IPAC）為此特別建立了斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理分析，并在全世界范圍內(nèi)接收觀(guān)測(cè)項(xiàng)目申請(qǐng)。上述快門(mén)對(duì)應(yīng)的本底問(wèn)題，就是通過(guò)后期的數(shù)據(jù)處理估計(jì)和去除的。相似的，斯皮策望遠(yuǎn)鏡的IRS儀器在上天前也發(fā)生了意外，濾光片上出現(xiàn)了一個(gè)小小的裂縫，其產(chǎn)生的衍射條紋會(huì)直接影響到觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。但發(fā)射已迫在眉睫，再重新磨一個(gè)新濾光片已經(jīng)來(lái)不及了，只能祈禱發(fā)射過(guò)程中的推力不會(huì)擴(kuò)大這個(gè)裂縫。幸運(yùn)的是，發(fā)射和入軌一切順利，裂縫并沒(méi)有變化。地面人員也是在后期數(shù)據(jù)處理階段，通過(guò)解衍射條紋方程，有效地去除了這一干擾項(xiàng)對(duì)光譜的影響。

在反復(fù)論證的過(guò)程中，當(dāng)年的SIRTF的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，歐空局（ESA）的60厘米級(jí)紅外空間天文臺(tái)ISO已經(jīng)于1995年發(fā)射后又于1998年退役了。ISO在2.4微米-240微米和25微米-197微米分別提供了中遠(yuǎn)紅外的圖像和光譜信息。斯皮策望遠(yuǎn)鏡最后的鏡子雖然只有85厘米，似乎沒(méi)有多大的提高，但因?yàn)橥瑫r(shí)期從接收機(jī)到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高速技術(shù)發(fā)展，斯皮策望遠(yuǎn)鏡在探測(cè)的靈敏度、效率和精度方面比最初的設(shè)計(jì)提高了不止一個(gè)量級(jí)，僅從觀(guān)測(cè)的凈速度來(lái)看，1986年到2003年的速度提升就超過(guò)了1000倍。因此在同期的空間紅外望遠(yuǎn)鏡中，斯皮策望遠(yuǎn)鏡雖然先發(fā)而后制，它的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，特別是在星系宇宙學(xué)上的發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，甚至也超越了最早設(shè)計(jì)時(shí)的想像。乃至斯皮策望遠(yuǎn)鏡相關(guān)的天文學(xué)家，在后來(lái)提起這30年的漫長(zhǎng)等待和堅(jiān)守時(shí)，常說(shuō)的一句話(huà)是，“放輕松，摩爾定律會(huì)幫你解決大部分的難題?！?/p>

斯皮策望遠(yuǎn)鏡從90年代初到最終發(fā)射時(shí)經(jīng)歷的設(shè)計(jì)變化，主要體現(xiàn)在儀器體積上，預(yù)期壽命和望遠(yuǎn)鏡大小基本沒(méi)變，但預(yù)算和儀器的自重得到了大輻降低。來(lái)源／ Werner/Michael/Eisenhardt/Peter/ More Things in the Heavens（普林斯頓出版社）

雖然設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)“小而精”，由于斯皮策望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的紅外觀(guān)測(cè)能力，覆蓋的科學(xué)不一而足，小到太陽(yáng)系、行星形成、系外行星，大到恒星和星云、星系和宇宙學(xué)，直接將我們對(duì)宇宙的理解帶入了一個(gè)新的層面。它更準(zhǔn)確地測(cè)量了大麥云中的造父變星和宇宙膨脹的速率；協(xié)同HST探測(cè)到了宇宙早期再電離時(shí)期（大爆炸后6.5億年）的星系的質(zhì)量和年齡；通過(guò)探測(cè)塵埃的溫度和輻射，記錄了隨著宇宙年齡變化的恒星形成歷史，發(fā)現(xiàn)了我們的宇宙在大爆炸后30億年處（紅移2-3處）已經(jīng)達(dá)到了生長(zhǎng)（恒星形成）的峰值，并在這之后的100億年間一直呈下降趨勢(shì)；發(fā)現(xiàn)了宇宙早期就存在著許多星系團(tuán)，對(duì)于我們了解宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)和宇宙演化非常重要；此外，斯皮策望遠(yuǎn)鏡還發(fā)現(xiàn)了大量的富有塵埃的活動(dòng)星系核，這些星系核代表著星系中心的超大質(zhì)量黑洞正在瘋狂地吸收周?chē)奈镔|(zhì)，其中大部分都因?yàn)閴m埃的遮擋而很難在光學(xué)看到。

在銀河系內(nèi)，斯皮策望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到了云團(tuán)中年輕恒星的形成，發(fā)現(xiàn)了行星形成和褐矮星周邊原行星盤(pán)的痕跡，這其中，很可能就存在著離地球最近的地外行星。終其一生，特別是“熱模式”工作的10余年中，斯皮策望遠(yuǎn)鏡重點(diǎn)認(rèn)證和觀(guān)測(cè)了太陽(yáng)系內(nèi)的近地小行星、彗星和太陽(yáng)系外的行星系統(tǒng)。這其中最著名的莫過(guò)于發(fā)現(xiàn)了擁有7顆地球大小行星的Trappist-1系統(tǒng)。這些太陽(yáng)系外的行星系統(tǒng)中，有不少和我們的太陽(yáng)系非常相似，這一方面從結(jié)構(gòu)和成分上證明了我們的太陽(yáng)系本身并不特殊；另一方面，也為探尋地球以外的可能生命形式和可能的生存環(huán)境提供了探索的方向。

由斯皮策望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的Trappist-1系統(tǒng)的藝術(shù)加工想像圖，一顆距離地球約40光年的超冷紅矮星Trappist-1，周?chē)h(huán)繞著7顆地球大小的行星。隨著離恒星距離的由近及遠(yuǎn)，水會(huì)因過(guò)熱而蒸發(fā)殆盡（圖上顯示為水汽），或者因過(guò)冷而凝結(jié)為冰。在合適的中間距離，水能以液態(tài)形式存在，這一區(qū)間被認(rèn)為適合生命存在，被稱(chēng)作“宜居帶”。版權(quán)／NASA/JPL-Caltech/R.Hurt(IPAC)

斯皮策望遠(yuǎn)鏡原本預(yù)計(jì)的工作時(shí)間是5年，制冷劑的設(shè)計(jì)運(yùn)行期限僅2.5年。實(shí)際上，相比于原來(lái)液氦湯的設(shè)計(jì)，儀器發(fā)熱和自然升溫造成的液氦蒸發(fā)被很好地控制了，斯皮策望遠(yuǎn)鏡在達(dá)到工作所需的低溫（5開(kāi)爾文，-268攝式度）“冷模式”下，一共工作了6年時(shí)間。消耗完制冷劑后，利用儀器自身的輻射降溫，斯皮策望遠(yuǎn)鏡又在“熱模式”下一直工作了10余年。隨著系統(tǒng)溫度的升高造成的噪音增加，進(jìn)入“熱模式”后，IRS和MIPS停止了工作，IRAC剩余的3.6微米和4.5微米依舊堅(jiān)挺了許多年，直到2020年1月31日，在經(jīng)費(fèi)耗盡后終于正式退役，共在軌運(yùn)行16年4個(gè)月，遠(yuǎn)超原本設(shè)計(jì)的5年工作時(shí)間。

——選自《中國(guó)國(guó)家天文》2021年11月號(hào)

作者簡(jiǎn)介 /

戴昱，國(guó)家天文臺(tái)研究員，研究方向?yàn)樾窍档男纬膳c演化的多波段觀(guān)測(cè)。

《中國(guó)國(guó)家天文》11月刊

編輯 / 緩緩 懷塵

中國(guó)國(guó)家天文

Chinese National Astronomy

微信號(hào)：chineseastronomy

《中國(guó)國(guó)家天文》雜志由國(guó)家天文臺(tái)主辦。

本刊面向廣大公眾，提供科學(xué)性、文化性、藝術(shù)性、收藏價(jià)值兼?zhèn)涞奶煳膶W(xué)內(nèi)容及文化生活。