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中科院上海天文台 虞南華
美國東部時間8月25日凌晨1點35分39秒,美國宇航局在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地,發射了空間紅外天文台。紅外天文台包括一架紅外望遠鏡,口徑85厘米,搭載紅外陣列照相機、紅外譜儀、多波段成像光電儀,總重865千克,是目前世界上發射的最大的紅外望遠鏡。紅外天文台的運行軌道為日心軌道,跟蹤地球軌跡前進,周期372天。觀測波段為3∼
180微米,由于地球大氣的阻隔,在地面上是無法觀測到這個波段的。空間紅外天文台是美國宇航局四大空間天文台的第四個,也是最後一個,它們分別在四個不同波段上觀測宇宙。前三個分別是哈勃空間望遠鏡、康普頓伽瑪射線天文台和錢德拉X射線天文台,它們在可見光、伽瑪射線、X射線波段上觀測宇宙。空間紅外天文台為我們打開了一扇觀測宇宙的新窗口。
空間紅外天文台是美國宇航局“探索宇宙起源計劃”的一個里程碑。“我們從哪里來?芽”,“我們是孤獨的嗎?”這些問題隨著空間紅外天文台投入使用,都有可能得到回答。它將幫助我們撩開宇宙神秘的面紗。
我們設想一下,當我們聆听交響樂的時候,如果只能听到C音和其附近的幾個音符,那麼,我們將無法領略整首樂曲的美妙結構。對天文學家,情形正是如此,他們只能在可見光的範圍內了解宇宙。我們的眼楮能夠探測到的只是宇宙能量的一小部分。這一能量的其余部分是以無線電波、微波、熱、X射線、伽瑪射線等形式出現的,科學家統稱之為電磁輻射。不同類型的輻射有不同的頻率、波長和能量。波長越短,能量和頻率越高。反之亦然。在波譜的一端是無線電波,頻率低,能量低,波長長。在另一端是伽瑪射線,頻率高,能量高,波長極短。介于兩者之間是可見光光譜。我們眼楮所見的顏色反映了光的波長、能量和頻率。可見光光譜的一端是紅光,相對來講,頻率低,能量低,波長長,另一端是紫外光,相對來講,頻率高,能量高,波長短。可見光的波長從約0.7微米到0.4微米之間。紅外光在可見光譜紅端的外面,它比紅光具有更低的能量和更低的頻率,因此,稱之為“紅外”。紅外輻射從約1微米(近紅外)到200微米及以上(遠紅外)。
宇宙中絕對零度以上的(-273.15攝氏度)物體都會發出電磁輻射。輻射的類型取決于物體的溫度。例如,能輻射伽瑪射線的物體,其溫度必須超過十億攝氏度。伽瑪射線是最富能量的光,伽瑪射線望遠鏡能捕捉到一些最極端、最震撼的事件,如超新星爆發和中子星踫撞。更為大家所熟悉的天體,如恆星,溫度在一萬攝氏度左右,主要輻射可見光。按照這一模式,溫度更低的天體,幾百攝氏度或更冷,和人體溫相同的溫度,就主要輻射紅外光了。因此,紅外望遠鏡是探測冷宇宙,或者說不可視宇宙的絕佳工具,包括那些飄浮在恆星之間的巨大的宇宙塵雲,在可見光領域難以探測到的,太遙遠,太微弱的繞恆星運動的行星。我們銀河系的中心存在巨大的星際塵雲,後面可能隱藏著大質量的黑洞,在近紅外和中紅外光下,這片塵雲就變得透明了,天文學家期待著能夠瞥見這一令人驚嘆的現象。
當宇宙膨脹的時候,來自遙遠星系的星光發生紅移,最終變為紅外光。早期宇宙中的恆星、星系和其他星體發出的輻射如今都處在紅外波段。空間紅外天文台將讓我們看到十億年前的宇宙,幫助我們了解最初的星體是如何誕生的,它們的化學成分是怎樣的。我們將更好地理解我們身處的宇宙和世界。
在兩年半到五年的設計壽命期間,空間紅外天文台將研究圍繞恆星周圍的行星形成盤的結構和化學成分,這有助于尋找類地行星,大家普遍認為這種行星上存在生命。空間紅外天文台還將研究所謂褐矮星等問題。一些科學家認為,這將解釋宇宙中普遍存在的暗物質。空間紅外天文台還將研究太陽系內的行星、小行星和彗星。
為了達到預設的科學目標,和以往的紅外觀測計劃相比,空間紅外天文台在技術上有許多改進。這些改進大大降低了研發、發射和運行成本。它使用了紅外探測器陣列技術,靈敏度提高了一百萬倍。在8000千米的高空,空間紅外天文台可以探測到一台電視遙控器的脈沖信號。這種技術是美國國防部在上世紀80年代發展起來的,用于高背景溫度,波長小于30微米的環境下。後來,在天文上,發展成為在低背景溫度,高靈敏度環境下應用,適用的波長範圍從近紅外一直拓展到了遠紅外。空間紅外望遠鏡的主鏡、副鏡和支撐結構幾乎完全用輕巧的金屬鈹來制造。金屬鈹具有高堅固度密度比(密度低,牢度強),良好的熱導性,低的冷卻熱等優點。望遠鏡的總重量控制在50千克以下。金屬鈹望遠鏡不僅不受熱膨脹變化的影響,而且有極好的體積穩定性,不容易變形。空間紅外望遠鏡的軌道設計是十分巧妙的。它在日心軌道上跟蹤著地球的軌跡前進,它將以0.1天文單位/年的速率漂離地球,從而為望遠鏡創造了一個好的溫度環境。由于紅外主要是熱輻射,因此望遠鏡必須冷卻到接近絕對零度(-273攝氏度),這樣才能不受望遠鏡自身熱輻射的干擾。在繞地球運行的軌道上,由于地球不僅反射來自太陽的可見光,而且輻射紅外波,因此,地心軌道上的衛星沐浴在250K的溫度下。漂移的日心軌道把望遠鏡置于“深空”中,那兒的溫度只有約30∼40K。這樣,就大大減少了攜帶冷卻劑液氦的數量,從原先設計方案的3800升減到現在的360升,大大減輕了飛船的載重量。和以往的冷發射技術對比,這被稱為“暖發射”技術。如此,不需要用昂貴的大力神火箭,只要用成本較低的德爾塔火箭就可以發射了。
空間紅外天文台采用的先進技術和預期的科學發現將用于今後的“探索宇宙起源計劃”,如詹姆斯-韋伯空間望遠鏡,類地行星發現者等等。它將為人類探索宇宙的計劃作出重大貢獻。