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
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