文/ 葉楠

紅外及亞毫米波空間望遠鏡

紅外線與亞毫米波

1800 年，天文學(xué)家威廉·赫歇爾將溫度計置于棱鏡的后面，發(fā)現(xiàn)一種波長大于紅色光的輻射，這種輻射肉眼看不見，卻能使溫度計的讀數(shù)上升，因為處在光譜中紅色的外側(cè)，所以被稱為紅外線，其波長范圍在750 納米～1 毫米之間。實際上，太陽輻射中一半以上的能量都位于紅外波段。天文觀測上一般將紅外線分成近紅外、中紅外和遠紅外幾個波段，其中波長范圍在0.1 ～1 毫米之間的遠紅外部分也被稱為亞毫米波，這個波段包含著豐富的物理和化學(xué)信息，對于天體物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測具有重要意義。由于地球大氣對紅外的吸收，全球僅有幾個地點能夠進行觀測，比如圖中位于智利阿塔卡瑪沙漠的亞毫米波觀測陣，而更多的觀測還需要依賴紅外空間望遠鏡。

紅外天文衛(wèi)星

紅外天文衛(wèi)星（IRAS）是人類第一臺紅外空間望遠鏡，發(fā)射于1983 年1 月25 日，望遠鏡采用RC 式結(jié)構(gòu)、口徑57 厘米、焦距545 厘米，能夠在12 微米、25 微米、60 微米和100 微米四個波段進行巡天觀測。IRAS 對全天96%的天區(qū)進行了觀測，發(fā)現(xiàn)了約35 萬個紅外源，其中7.5 萬個被認為是星爆星系，還有許多擁有盤狀塵埃云的恒星，它們可能是行星系統(tǒng)形成的早期階段。由于紅外觀測需要將望遠鏡保持在2K（約-271℃）左右的溫度，而用于為IRAS 制冷的液氦消耗殆盡，因此重達1.1 噸的IRAS 在900 公里軌道高度上運行了10 個月后不得不于11 月21 日停止了工作，但它現(xiàn)在依舊在圍繞地球公轉(zhuǎn)。

空間紅外望遠鏡

1995 年3 月18 日，日本種子島太空中心發(fā)射了一顆名為太空飛行單元（SFU）的天文觀測衛(wèi)星（上圖），衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量3.8 噸、軌道高度約480 公里、傾角28.4度。SFU攜帶有包括空間紅外望遠鏡（IRTS）在內(nèi)的多種科學(xué)儀器，IRTS 也是采用液氦制冷，其觀測目標為可以穿透塵埃的銀河系內(nèi)天體的紅外輻射。SFU 最特殊的一點是，它是一顆可重復(fù)使用的衛(wèi)星。下圖是1996 年1 月20 日，奮進號航天飛機在執(zhí)行STS-72 任務(wù)時，利用機械臂將SFU 抓回航天飛機艙內(nèi)帶回地球。

紅外空間天文臺

紅外空間天文臺（ISO）由歐空局與美國宇航局和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)合作研制（圖為位于海德堡的馬克思-普朗克研究所內(nèi)的全尺寸ISO 模型），于1995 年11 月17 日從圭亞那航天中心發(fā)射進入近地點1000 公里、遠地點70600 公里、周期24 小時的橢圓軌道。ISO 的主鏡是一臺口徑60 厘米的RC式望遠鏡，焦距900 厘米，觀測波長為2.4 ～240 微米。它攜帶有2268 升液氦，能夠?qū)⒔K端設(shè)備保持在1.7K（約-271℃）的低溫下。同IRAS 相比，ISO 的靈敏度和分辨率分別提高了1000 倍和100 倍，其主要工作是對IRAS 發(fā)現(xiàn)的部分紅外源進行更精確的觀測。1998 年4 月8 日液氦耗盡，一個月后ISO 被永久關(guān)閉。

太空中途紅外實驗

太空中途紅外實驗（MSX）是美國彈道導(dǎo)彈防御組織的一顆紅外觀測衛(wèi)星（左圖），1996 年4 月24 日從范登堡空軍基地發(fā)射升空，被放置在高度898 公里、傾角99.16 度的太陽同步軌道上。望遠鏡口徑為33 厘米，終端設(shè)備由固態(tài)氫進行冷卻，觀測波段從8 ～21 微米。右圖是MSX 拍攝的半人馬座α 圖像，這是距離我們最近的一個恒星系統(tǒng)。

亞毫米波天文衛(wèi)星

亞毫米波天文衛(wèi)星（SWAS）是美國宇航局小型探測器計劃的第3顆衛(wèi)星，于1998 年12 月6 日從范登堡空軍基地由飛馬座XL 火箭發(fā)射升空，軌道高度590 公里、傾角70 度、周期96.5 分鐘。SWAS 的主鏡是一個口徑為55 厘米×71 厘米的橢圓形離軸卡塞格林式反射望遠鏡，觀測波長為0.54 ～0.61毫米。它的主要工作是研究星際氣體云的組成和結(jié)構(gòu)，以及恒星及行星的形成過程。SWAS 連續(xù)運行了五年半時間，對200 多個目標進行了深度觀測。2004 年7 月21 日開始進入休眠狀態(tài)，并于2005年6 月1 日喚醒，目的是對深度撞擊任務(wù)提供支持，探測撞擊時水汽的變化。

大視場紅外探測器

大視場紅外探測器（WIRE）（左圖）于1999 年3 月由飛馬座XL火箭從范登堡空軍基地送入距離地表409 ～426 公里的極地軌道。WIRE原計劃對星爆星系和明亮的原星系進行為期4 個月的紅外觀測，但不幸的是在入軌僅僅幾個小時后，由于電子設(shè)備的一個設(shè)計缺陷使得固體氫發(fā)生泄露，泄露就像一個微型推進器使衛(wèi)星以每分鐘60 圈的速度旋轉(zhuǎn)，雖然技術(shù)人員通過重新建立姿態(tài)控制解決了這個問題，但是失去了制冷劑，衛(wèi)星攜帶的科學(xué)儀器無法正常運行，這顆價值7300 萬美元的衛(wèi)星之后只能屈尊用于對亮星的光度監(jiān)測。2011 年5 月10 日，WIRE 再入大氣層墜毀。右圖是WIRE 搭載的傳感器，可對波長在12 微米和25 微米的紅外線感光，可惜并沒有派上用場。

斯皮策空間望遠鏡

斯皮策空間望遠鏡（SST）（左圖）隸屬于美國宇航局大型軌道天文臺計劃，原名“空間紅外望遠鏡設(shè)備”，于2003 年8 月25 日由德爾它Ⅱ型火箭發(fā)射升空。按照美國宇航局的傳統(tǒng)，該望遠鏡在成功運行后會被重新命名，最終天文學(xué)家萊曼·斯皮策的名字脫穎而出，他是20 世紀40 年代空間望遠鏡概念的提出者。SST 被置于日心軌道上，近日點1.003 天文單位（1 天文單位約為1.5 億公里）、遠日點1.026 天文單位、周期373.2 天。SST 的主鏡直徑85 厘米，焦比f/12。SST 攜帶的液氦使它正常運行至2009 年5 月15 日，雖然失去了液氦的幫助，但紅外相機中波長最短的兩個模塊還可以繼續(xù)在太空30K（約-243℃）的溫度下繼續(xù)工作。SST 任務(wù)一直延續(xù)到2020 年1 月30日才正式宣告結(jié)束。

SST 是歷史上最成功的紅外空間望遠鏡之一，在其超過16 年的工作中有許多令人驚奇的發(fā)現(xiàn)。同哈勃空間望遠鏡一樣，SST也有部分時間用于拍攝科普圖像，可以在教育和傳媒領(lǐng)域免費使用。右圖是SST 剛升空后不久拍攝的象鼻星云的偽彩色照片，這是距離我們2450 光年的一片發(fā)射星云。在SST 的最后幾年，它甚至還做過搜尋系外行星的工作，HD 219134b 就是由SST 確認發(fā)現(xiàn)的，這是一顆巖石行星，大小約是地球的1.5 倍，后續(xù)還發(fā)現(xiàn)這顆行星存在大氣層。

光亮號

“光亮號”（上圖）是日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)與歐洲和韓國共同合作開發(fā)的一顆紅外天文衛(wèi)星，于2006 年2 月21 日由M-V 火箭送入太陽同步軌道?！肮饬撂枴敝麋R口徑為67 厘米、焦距4.2 米，可在波長范圍1.7 ～180微米進行巡天觀測?！肮饬撂枴笔褂靡汉ぷ鳛橹评鋭?007 年8 月26 日液氦耗盡時，它按計劃完成了遠紅外和中紅外的巡天工作，覆蓋96%天區(qū)面積，記錄下5000 多個觀測侯選體。2011 年5 月“光亮號”遭遇一次電氣故障，所有科學(xué)儀器無法繼續(xù)工作，整個任務(wù)于同年11月宣告結(jié)束。下圖是“光亮號”于2006 年5 月22 日使用紅外相機在6 個波段拍攝的M81 星系的照片對比。3 和4 微米可以穿透所有塵?？吹叫窍岛诵牟糠?，7 和11 微米可以看到星系盤上的氣體云，15 和24 微米可以看到旋臂中被年輕恒星加熱的塵埃云。

赫歇爾空間天文臺

赫歇爾空間天文臺（左圖）以威廉·赫歇爾爵士的名字命名，是歐空局建造的有史以來最大的紅外望遠鏡，望遠鏡口徑達到3.5 米、焦距28.5 米，工作波長55 ～672 微米。為減輕重量，鏡片由碳化硅制成，望遠鏡質(zhì)量只有315 千克。2009 年5 月14 日，“赫歇爾”從圭亞那空間中心由阿里安5 火箭發(fā)射升空，被放置在圍繞拉格朗日L2 點的利薩茹軌道上?！昂招獱枴笔褂靡汉ぶ评?，支持它工作了近4 年時間，直至2013 年4 月29 日，同年6 月17日宣告任務(wù)結(jié)束。右圖是“赫歇爾”于2010 年4 月拍攝的麒麟座玫瑰星云局部照片，玫瑰星云是一個距離我們5000 光年的發(fā)射星云，圖像中心的亮點是質(zhì)量較小的原恒星。這是一幅三色合成偽彩色圖像，紅色代表250 微米波長，綠色代表160 微米，藍色代表70 微米。

廣域紅外巡天探測者

廣域紅外巡天探測者（WISE）是美國宇航局的一臺紅外空間望遠鏡，也是WIRE 的繼任者。WISE 于2009 年12 月14 日從范登堡空軍基地發(fā)射升空，進入太陽同步軌道。WISE 的主鏡口徑0.4 米，可在3.4、4.6、12 和22微米波長進行巡天觀測。在10 個月的任務(wù)期內(nèi)，它對99%的天區(qū)面積共拍攝了150 萬張照片，每個方向至少有8 張圖像。在液氦基本耗盡后，WISE開啟了名為NEOWISE 的項目。WISE可以探測到溫度低至70K ～100K（約-203℃～-173℃）的天體，它新發(fā)現(xiàn)了超過3 萬顆小行星和彗星以及約300 顆近地小天體。2011 年2 月在完成小行星帶巡天任務(wù)后，WISE 進入休眠狀態(tài)。2013 年2 月，“車里雅賓斯克”隕石在俄羅斯上空爆炸，美國宇航局呼吁加強對近地小行星的監(jiān)測，WISE 也于同年9 月被重新喚醒，為保護地球免受小行星襲擊而繼續(xù)工作。