哈勃空间望远镜的新眼——高新巡天照相机

哈勃空间望远镜的新眼——高新巡天照相机
著：Christopher Wanjek 译：Shea

　　就像小孩儿玩的乐高积木，高新巡天照相机（Advanced Camera for Surveys，ACS），将会取代暗天体照相机（Faint Object Camera，FOC）的位置。FOC已经工作了12年了，是哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，HST）原先所携带的设备中剩下的最后一部。在光学矫正系统的帮助下，FOC成为了HST的鹰眼，它的成像分辨率可以达到0.05"。但是这十年来的技术发展使得0.05"的分辨率已不足为奇了，事实上，ACS可以捕捉到更暗弱的天体，而且影像具有更高的分辨率。

　　确切的讲，ACS由3台成像设备组成：大视场照相机（Wide Field Camera，WFC）、高分辨率照相机（High Resolution Camera，HRC），以及听起来很刺激的太阳目眩照相机（Solar Blind Camera，SBC）。其中每一台设备都是为不同的观测精心设计的——但是，最后一部相机并不是用来观测太阳的。

　　大视野

　　在新设备中，将被委以重任的当属大视场照相机。它的设计原则就是尽可能多的收集和分析来自遥远星体所发出的光。它的核心部件是两块耦合在一起的CCD，每一边都有4096个像素——总共大约有17百万个像素。与之形成对比的是，现近HST上最著名的设备——大视场行星照相机2（Wild Field and Planetary Camera 2，WFPC2）仅有2.6百万像素。新相机的视场可以达到3.4平方角秒，是WFPC2的2倍，而且0.05"的分辨率也将近是WFPC2的0.09"分辨率的2倍。

　　更为重要的是，WFC可以接收来自HST2.4米主镜的44%的光子，而WFPC2的接收率只有14.5%，WFC是它的3倍。用HST的ACS小组的话来说，更大视场以及更高的接收率使得HST的观测能力提高了10倍。

　　WFC的观测波长范围为从蓝光区域350nm到近红外的1050nm。它的长波观测能力是它所承担的科学研究项目的关键。“高新巡天照相机”中的“巡天”二字指的就是对遥远星系团的巡天，它们将会是WFC的主要观测目标。由于宇宙的膨胀，那些星系团中年轻、炽热恒星发出的蓝光和紫外线会红移至红外和近红外波段。只有在这些波段天文学家才能对宇宙早期的结构演化和星系团的形成以及分布进行研究。

　　星系团中包含了成百上千个星系，是已知最大的由引力维系的系统。宇宙学家认为这些大质量的集团形成于宇宙年龄的一半时。观测那个时期的宇宙需要达到的观测距离为60-70亿光年，相应的红移值为1（也就是说从那些星系发出光子的波长到达地球时会增加一倍）。而WFC就是设计以前所未有的清晰度来观测宇宙演化的这一阶段。

　　“我们渴望了解星系团的演化细节，”天文学家霍兰德·福特（Holland Ford）说，他领导着约翰霍普金斯大学和空间望远镜研究所（STScI）的ACS小组。福特计划将花费他们小组60%的观测时间在ACS上，用于观测跨越星系团不同形成阶段的15个星系团。

　　显然，在宇宙诞生后10亿年里，星系就形成了。就像项链上的珍珠，它们靠着暗物质纤维的“指引”聚集到了一起。在暗物质纤维交错的地方，星系就会大量的聚集，在接下去的50亿年里，它们就慢慢地形成了我们看到的星系团。

　　以上至少是天文学家所认为的星系团形成过程。但是仍有许多问题至今还不清楚。科学家不知道星系和星系团的合并率，这依赖于宇宙的物质密度。而且目前对暗物质的本质也不清楚，但是它们的丰度却至少是可见物质的10倍。“我们知道暗物质驱动着星系和星系团的演化，”福特说，“但是我们并不知道暗物质究竟是怎么做到的。”

　　福特和他的同事希望使用WFC来观测更远、更早期的宇宙，期望发现星系和星系团从诞生到现今的演化。目前还没有天文仪器能做到这一点。WFC将是第一个有足够视场、分辨率和灵敏度的设备，它可以捕捉整个遥远的星系团，同时又能对其中单个星系进行研究。

　　旋涡星系数量与椭圆星系数量之比是多少？恒星是缓慢的形成还是暴发式的形成？是否所有的年轻星系都是类星体，或者它们的核心都是高能源？这些都是很重要的细节。在附近的星系团中，其核心大多数是椭圆星系和S0星系（没有旋臂的星系）。旋涡星系则更多的出现在它们的外围。但是，成员较少的星系团中，旋涡星系却占了主导地位。

　　也许在核心区域旋涡星系合并成了椭圆星系。也许当旋涡星系穿过炽热的星系团际介质时，其旋臂丢失了气体，而变成了S0星系。如果天文学家在年轻、遥远的星系团中发现了比椭圆星系和S0星系多的旋涡星系，那么这就说明在星系团时代星系可以从一个形态演化到另一个形态。另外，如果遥远的星系团中包含更多的星暴星系，那么这就暗示星暴可能是活动星系的触发机制。

　　福特和他的同事也希望通过研究星系团对来自背景星系的光的影响来确定暗物质在星系团中的分布。由于巨大的质量和引力，星系团的作用就像一个引力透镜。类似于透镜，星系团的引力可以在视线方向上弯曲遥远星系发出的光并放大这个星系的影像。星光弯曲的程度取决于星系团中的物质分布——不论是亮物质还是暗物质。

　　通过对星系团中亮物质的测算和背景星系所成的像，天文学家就能确定星系团中的暗物质了。ACS的观测使得对星系团中可见物质质量的可靠测量成为了可能，但是也得注意到，星系团中也包含了大量的炽热气体。这些气体会发射出X射线，因此钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）的补充观测对于确定它们的质量就显得很重要了。目前，还不能完全使用暗物质来解释引力透镜效应。

　　引力透镜另一个好处是，它可以使我们观测到那些暗弱的背景星系，而通常它们是无法被观测到的。“星系团是我们的终极望远镜，我把它们称为‘上帝的望远镜’，”福特说，“它们可以放大并增亮背景星系10-20倍。为了看到形成于宇宙早期的星系，我们需要它们的帮助。”

　　去年10月，加州理工学院理查德·艾里斯（Richard S. Ellis）领导的一个国际天文学家小组报告在天龙座距地球20亿光年的Abell 2218星系团的WFPC2影像中发现了不寻常的团块的光。凯克Ⅰ紧跟着的观测显示这些斑点是距离为Abell 2218星系团7倍、红移为5.6的婴儿星系的畸变像。这个星系最多只含有1百万颗恒星，直径只有500光年，而银河系则含有数千亿颗恒星，直径也达到了10万光年。更重要的是，这些原星系的年龄只有2百万年，当时的宇宙年龄只有6亿年，其中包含的第一代恒星完全是由大爆炸中核合成的轻元素所组成。这就像是一块星系积木，无数块这样的积木则组成了今天我们见到的巨大星系。

　　随着ACS的WFC的投入使用，这一类的观测将变得更普遍。再加上使用星系团的引力透镜效应，福特和他的同事将致力于寻找宇宙中的第一代星系。他们的策略很简单——依靠宇宙膨胀对于可见光和紫外线的红移作用。星系光谱中短波、中波和长波的比例将是星系年龄和距离的重要线索。

　　来自宇宙中最遥远星系的光会被极大的红移，穿过整个可见光谱而进入红外波段。福特的小组将会在ACS拍摄的引力透镜近红外图像中寻找这些星系。红移大于6（相应的宇宙年龄只有几百万年）的恒星系统只有通过引力透镜才能被观测到。它们将是我们观测的最遥远的天体。“这就像是捕鱼，”福特说，“但是它们是我们所捕的最重要的鱼。”

　　细节，细节

　　ACS小组又是如何识别出他们的婴儿星系的呢？他们会使用ACS中最锐利的眼睛——高分辨率照相机（HRC），来进一步观测这些目标。HRC的视场相对较小，为26"×29"，但是分辨率却高达0.025"。而且有比暗弱天体照相机（FOC）更高的灵敏度，可称的上是“更暗弱天体照相机”。

　　在不观测宇宙的边缘时，HRC也会用来观测我们太阳系的边缘。它将会被用于搜索海王星以外的柯伊伯带天体。早期的HST观测发现了不少的这类天体，它们被认为是短周期彗星的发源地。ACS的观测将会进一步增加柯伊伯带天体的数量，同时也可以使我们了解柯依伯带在太阳系演化中的作用。

　　我的太阳系并不是福特和他的同事们唯一想探索的地方。4.3光年远的半人马α也是目标之一。在那儿ACS小组渴望有新的发现——行星。“拍摄太阳系外行星的影像将是一件令人惊动的事情，”STScI的ACS小组成员马克·柯蓝平（Mark Clampin）说。他预想着获得太阳系外行星的第一张照片。

　　只要半人马α有一颗木星大小的行星，HRC就能发现它，即使那颗行星的亮度只有恒星的十亿分之一HRC也能做到。为此，在HRC上安装了日冕仪，它可以阻挡中央恒星的光，提高对比度，使得恒星旁暗弱的行星得以显现。

　　HRC也将会用于恒星旁尘埃盘、活动星系核中大质量黑洞周围的环境，以及星团动力学的研究。这些研究都有一个共同点，要阻挡中央天体的强光，而且还需要高分辨率的成像能力。

　　睁开目眩的眼睛

　　ACS的第三台仪器是太阳目眩照相机（SBC），它设计用来捕捉炽热恒星、最遥远类星体以及木星极光的光谱中最亮的部分。与HRC相似，SBC的视场为30"，分辨率为每像素0.03"。但是与其他的两台设备不同，它仅对波长为100-200nm的远紫外光敏感。

　　当被指向一个高密度的星团时，SBC仅能对发出强紫外光的星体成像。对于类似太阳的恒星，虽然在可见光波段很明亮，但是仅发出很少的高能辐射，根本无法使SBC成像。这样就可以对星团中的个别恒星进行深入研究了，而在平时它们很可能淹没在其他恒星的光芒中。相似的，SBC也可用来观测木星两极出现的极光。

　　哥伦比亚号航天飞机的宇航员不仅将为HST安装新的设备ACS，同时也将修复HST原有的一部设备近红外照相机和多天体分光仪（Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer，NICMOS）。NICMOS是1997年安装的，运行了大约两年。之后，它过早的耗尽了氮-冰冷却剂，而停止了工作。哥伦比亚号航天飞机的宇航员将为NICMOS安装一个新的冷却系统，它有点像厨房里冰箱，可以循环使用冷却剂。

　　NICMOS使得HST对于长波的探测能力得到了延伸，超过了ACS和WFPC2所能覆盖的近红外波段。可以探测到2-30微米的辐射，这些辐射大多来自行星和尘埃。如果探测器本身的温度不够低，那么它自身的热辐射就会吞没来自宇宙空间的红外信号。在安装了新的冷却系统之后，NICMOS将会在大约78K的温度下工作，比先前的62K略高，但是已经足够用于科学观测了。

　　NICMOS将会观测哪些目标呢？在银河系内，它将探索恒星和行星的诞生地，那儿有大量尘埃覆盖，可见光无法通过。而长波的红外辐射则可以透过这些星云，揭示恒星形成的过程。同时NICMOS也能补充ACS对遥远星系的研究，用来观测更为遥远的星系。

　　哈勃的新生

　　在维修之后两个星期，ACS将进行首次观测。这些影像将用于调焦以及对光学系统的调整、测试。6周之后，ACS将开始正式的天文观测。

　　在轨道上运行的第一年中，WFC将对准大熊座中“空白”的区域，在那儿WFPC2用了100小时的曝光时间发现了上千个先前没有发现的星系。ACS版的“哈勃深场照片”所覆盖的广度和深度都将是先前的2倍，但是所需的曝光时间仅仅是原来的1/4-1/3。没有什么可奇怪的，深场巡天将会是HST的ACS时代的常规任务。

　　由于使用了可更换模块化设计，HST可以经常得到更新。NASA计划在这个十年末再度对HST进行一次维修。届时，WFPC3将取代已工作了10年的WFPC2，而且还将安装其他的设备。霍兰德·福特和他的同事们的另一个计划——宇宙起源摄谱仪，将会大大增强ACS的探测能力，就像ACS增强HST原先的观测能力一样。

　　“每当你增强自己的潜能时，”福特说，“总会有新的发现。”

参考文献
Advanced Camera for Surveys Instrument Handbook for Cycle 11, Version 2.1
http://acs.pha.jhu.edu/instrument/papers/documents/handbook2001_v2.pdf

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专业术语索引

Advanced Camera for Surveys，ACS　高新巡天照相机
Faint Object Camera，FOC　暗天体照相机
High Resolution Camera，HRC　高分辨率照相机
Hubble Space Telescope，HST　哈勃空间望远镜
Solar Blind Camera，SBC　太阳目眩照相机
Space Telescope Science Institute，STScI　空间望远镜研究所
Wide Field Camera，WFC　大视场照相机
Wild Field and Planetary Camera 2，WFPC2　大视场行星照相机2

译自 Sky & Telescope (Mar. 2002)