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感知宇宙的温度
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Robert Irion 文 Shea 编译 |
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天文学家正在为发射期盼已久的空间红外望远镜进行最后的准备，它是NASA四大空间天文台中的最后一个。 作为一个“大型天文台”，空间红外望远镜（Space Infrared Telescope Facility，SIRTF）看上去却很小。在洛克希德马丁空间系统的洁净室中，它的高度总共只有4米。而就是在这间洁净室中，20年前组装了现在赫赫有名的哈勃空间望远镜。而对于SIRTF中0.85米的主镜来说，就连许多小型大学天文台的设备也能与之匹敌。SIRTF就这样竖立在测试平台上，给人其貌不扬的感觉。  然而就是这样一架貌不惊人的望远镜却承载着众多天文学家的希望，凝聚着他们毕生的心血。他们期望4月29日当SIRTF按计划从肯尼迪空间中心发射之后，他们能真正感知到宇宙的温度。SIRTF其实原定于1月29日发射，但是在感恩节前夕，NASA为了发射一颗10月份在发射平台起重机事故中受损的一颗军事卫星而推迟了SIRTF的发射。然而，这一耽搁并没有使SIRTF小组感到担忧，因为在研发SIRTF的20年中，它面临了两次被取消的命运。[图片说明]：装配车间中SIRTF。照片版权：SIRTF科学中心。 “人们几乎已经遗忘了我们，”哈佛史密松天体物理中心的吉凡尼奥·凡其奥（Giovanni Fazio）说，他领导着SIRTF的3个仪器小组，“现在，我认为我们可以让他们相信一切都已经步入了正轨。” 其实凡其奥并不需要焦躁不安，SIRTF早已成为了红外天文学家的关注焦点。SIRTF将会用来观测遥远星系中的普通恒星、河外星系和银河系中的恒星诞生区，以及年轻恒星旁形成行星的气体所发出的红外辐射。红外辐射可以穿透尘埃，向我们展示一片哈勃空间望远镜所无法观测到的景象。当然，太空中还有其他的红外天文卫星，其中值得注意的有欧洲空间局的红外空间天文台（Infrared Space Observatory，ISO），1995年至1998年间它给我们带来了大量的观测结果。但是对于拥有更先进探测器和更高轨道的SIRTF来说，它的灵敏度将会是ISO的10-1000倍。 “在红外波段深入观测研究恒星和行星的诞生以及遥远的星系，是未来50年天体物理学的两大研究重点，”卡耐基天文台的光学天文学家阿兰·爵斯勒（Alan Dressler）说，“其中许多涉及到在低温中工作的望远镜，SIRTF就是其中的第一台。它的最终建造是一种胜利。” 艰难的历程 SIRTF这一看似古怪的首字母缩写形式始于80年代，那时这个“S”是“航天飞机（Shuttle）”的首字母，而不是“空间（Space）”的缩写。SIRTF原计划是放置在航天飞机上的，以使它摆脱大气层中吸收红外线的水蒸气的干扰。但是，1985年一台小型制冷望远镜样机的测试飞行显示，航天飞机不是一个理想的搭载平台，航天飞机发出的热辐射极大的影响了望远镜的探测器。 于是NASA决定将其变为一个完全空间的观测设备，以补充NASA在不同波段的几个大型天文台——哈勃空间望远镜、康普顿γ射线天文台和钱德拉X射线天文台。由普林斯顿大学天文学家约翰·白考（John Bahcall）领导的一个国家天文学家小组将90年代定名为“红外十年”而且决定优先发展SIRTF。原计划耗资20亿美元，使用3800升超流氦来冷却设备，因而要使用大型的泰坦火箭来发射。 之后，到1995年NASA的财政预算已经两次给SIRTF亮起了红灯，由于国会的工作失误，SIRTF差不多一年没有出现在工作议案中，几乎已经被人忘却了。“那时出于礼貌，没有人会当面提起SIRTF，”NASA喷气推进实验室的项目科学家迈克尔·华纳（Michael Werner）说，“只有当白考的报告获得认可之后，我们才重新从失落中站了起来。” 来自同事的友好帮助在这次成功中是非常重要的，但更重要的是SIRTF小组引入了更为先进的理念。“以前，我们要建造一架大型的红外望远镜和一个更大的保温罩，”SIRTF科学计划主任迈克尔·白科（Michael Bicay）说。在新的设计方案中，大大减少了氦的使用量——仅仅360升。这些氦只用来冷却观测设备，而不是整架望远镜。主镜和镜筒在防护罩的保护下可以冷却至35K。之后，气化的氦会沿着管道流动，把观测设备冷却到5K。    SIRTF的成员必须应对诸多的限制。“我们最初的设计并不适合现有的运载工具，”亚利桑那大学的乔治·瑞克（George Rieke）回忆说，他领导着另一个仪器小组。压缩体积意味着SIRTF必须舍弃一些功能。但是推迟发射却给SIRTF小组制造更灵敏的探测器留下了宝贵的时间。 这一修改后的计划耗资7.2亿美元，其中还包括了使用德尔塔火箭发射的费用。引人注目的是，SIRTF的轨道十分特殊，远离地球同时又和地球共用一条轨道，而且SIRTF每年会回向外漂移1千5百万千米。“我们并不知道它最终会去哪里，我们只要确切知道它在哪里就行了，”白科开玩笑说。在任务的最后阶段，NASA必须使用深空探测网中最大的天线来下载SIRTF上的数据。 由于没有地球的阻挡，SIRTF可以不停的进行观测，直到冷却剂用完为止。“大体上说，只要仔细的管理氦的使用，SIRTF可以至少工作5年，”华纳说。发射后的2-3个月，管理小组就会知道望远镜对氦的使用情况了。 激动人心的科学 一些因素制约着SIRTF的研究项目。由于主镜比较小，SIRTF无法像大型的地基望远镜那样收集到大量的红外辐射。但是，SIRTF上新型的探测器可以弥补这一点，而且由于本身温度很低，它几乎不会对这些来自宇宙的微弱信号产生干扰。“凭借极高的灵敏度，”SIRTF科学中心主任托马斯·索伊法（Thomas Soifer）说，“虽然我们还无法追溯到星系开始形成的时期，但是我们可以回溯到星系的幼年期。” 确实，星系在SIRTF观测的目标中占据了重要的位置。现在天文学家知道遥远的星系中只有炽热而年轻的恒星。这些天体发出强烈的紫外线，但是由于宇宙的膨胀这些辐射最终延伸到了可见光和近红外波段，同时星系中普通恒星所发出的光也会发生红移。这些都正好处于SIRTF的观测范围之中。由于这一点使得SIRTF成为第一架可以看见宇宙中最年轻恒星的望远镜。 SIRTF科学计划小组将会花费大量的观测时间在星系观测上。“我们想了解星系形成的过程，”空间望远镜研究所的天文学家马克·迪金森（Mark Dickinson）说。这些观测同时也将有助于我们了解恒星形成的过程，虽然诞生中的恒星往往被尘埃云所笼罩。“但是总是会有一些辐射会从其中透射出来，而SIRTF就能察觉到它，”迪金森说。 一个由迪金森领导的巡天将会再次观测一个已经被深入研究的区域。这就是“哈勃深空区”，1995年哈勃空间望远镜花了10天观测时间，在一片小区域中发现了数千个星系。“这一区域对于其他设备来说也是很吸引人的，几乎每台设备都会指向这些区域，”迪金森说，现在钱德拉X射线天文台也在对它进行观测。SIRTF也会观测者一区域，但是范围要扩大30倍，同时它也会在南天进行类似的巡天。哈勃空间望远镜现在已经开始使用它的高新巡天相机对这一区域进行观测了。结合所有望远镜的观测资料，迪金森说，天文学家将有望进一步了解这些遥远的星系。 在另一个巡天中，加州理工学院的开罗尔·朗斯代尔（Carol Lonsdale）和她的同事将会观测63平方度天区中几百万个邻近的星系。朗斯代尔说，SIRTF很合适用来观测布满尘埃的恒星形成中的星系。通过这些观测，我们可以知道在不同的环境下星系是怎样形成的。例如，天文学家认为星系会在物质丰富的星系团中快速形成，但是他们还没有足够的证据。 其他的SIRTF观测计划则局限在银河系中。形成中的恒星和行星则是观测的主要对象。“我们会特别注意寻找类太阳恒星以便把太阳系和它进行比较，”亚利桑那大学的天文学家迈克尔·梅耶（Michael Meyer）说。 梅耶的小组将会观测年龄在3百万至30亿年之间的300多颗相对比较近的恒星。虽然SIRTF不会用来寻找行星，但是来自恒星的红外辐射会揭示出恒星周围是否有一个尘埃或者气体盘。如果有行星正在这个盘中形成，那么它们会使盘出现环形间隙。SIRTF能探测到其内侧高温尘埃和其外侧低温尘埃所发出的红外辐射，而间隙本身则不会发出辐射。梅耶说，尘埃中温度的突然变化将是其中有行星形成的间接而有力的证据。 SIRTF也会观测一些合并中的行星系统。“一旦天体开始合并，它们会产生出新的尘埃，”梅耶说。在太阳系中，这些碎片位于火星和木星之间的小行星带上，以及海王星以外的柯伊伯带上。SIRTF将会在类太阳恒星旁寻找这些小天体带。 同时，另一个由德克萨斯大学天文学家尼尔·伊万斯（Neal Evans）领导的小组将使用SIRTF来观测那些新诞生的恒星以及它们所在的恒星诞生区。在远离地球1000光年的地方，伊万斯说：“我们将看到恒星以及亚恒星天体（例如褐矮星）形成的全过程。但是辐射的强度本身比较小，所以我们只能研究其中的很小一部分。” 伊万斯说，了解尚有争议的褐矮星的形成过程是这次观测的主要目的。另一个观测目的是为了确定行星形成所需要的时间。现在行星科学家对于类木行星的形成机制和所需时间存在着较大的分歧。通过研究恒星旁红外辐射的变化，SIRTF也许能左右这场争论。 在另一些时间SIRTF则用来观测太阳系中的天体。瑞克的小组将会使用SIRTF来深入研究柯伊伯带天体。现在天文学家对柯伊伯带天体的大小知之甚少，因为他们人为的假设了这些天体的反照率。而SIRTF可以直接测量柯伊伯带天体的热辐射量，结合光学观测的结果，我们就能确定它们的大小，进而推测它们的成分。计划中的冥王星-柯伊伯带探测计划也将会参考SIRTF的结果。 SIRTF的观测结果在经SIRTF科学中心处理之后会送入一个公开的数据库中。这样也许其他的天文学家就有可能发现一些先前没有被发现的惊人结果。这一便捷的数据管理方式将有助于在短时间内取得更多的成果。 同温层中的搭档 SIRTF在2005年就会有一个搭档——同温层红外天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）。依托NASA的艾姆斯研究中心，SOFIA包括一架波音747飞机和一架2.5米的红外望远镜，一次飞行时间可达10小时。首席科学家、加州大学的天文学家埃瑞克·班克林（Eric Becklin）希望SOFIA能补充SIRTF的观测，凭借它的大型设备来测量天体的速度、温度、成分以及其他特性。2007年欧洲空间局将发射它的新设备——3.5米的赫歇尔望远镜，它将工作在更长的红外波段上。 SIRTF科学家小组意识到他们的工作将为未来10年NASA的两个重点项目铺平道路，它们是哈勃空间望远镜的继任者——詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope），和类地行星探寻者（Terrestrial Planet Finder）。这两个天文台都十分依赖红外观测。在这种情况下，爵斯勒说，SIRTF并不是NASA大型天文台的尾声，恰恰相反它是新一轮研究热潮的开始。 发射之后，NASA会给SIRTF重新命名，这个名字将会用来表彰那些为天文学做出突出贡献的人。 注：2003年12月SIRTF正式更名为斯皮策空间望远镜。 |
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出自：Science
发布日期：2002-12-02 |
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2001-2009 火流星工作组制作
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