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斯皮策望遠鏡十週年紀念照片。版權/NASA

望遠鏡上天從來都不是一件容易的事,最近,NASA就又一次宣佈了詹姆斯·韋布空間望遠鏡發射的推遲。韋布的前輩,斯皮策空間望遠鏡(Spitzer Space Telescope,SST)從最初概念的提出、批准、到建造和昇天,也可謂是一波三折,設計上幾易其稿,前後歷時超過30年。

初始計劃裡,斯皮策空間望遠鏡起初被叫做“飛船載紅外望遠鏡”(SIRTF,S=Shuttle),後又改名為“空間紅外望遠鏡”(SIRTF,S=Space),直到發射前才正式被定名為“斯皮策”。

斯皮策空間望遠鏡的名稱更替直接反映了它背後的歷史。1971年的設計初稿裡,是將其作為載荷的一部分,置於當時剛剛出現的宇宙飛船之上的。在之後長達12年的時間裡,艾姆斯研究中心和商業航空公司,也一直是以1米的飛船載太空望遠鏡為指導思想進行著設計和研發。

1983年是對斯皮策望遠鏡具有里程碑意義的一年。NASA釋出了相關的儀器徵集,並最終選中了三個小組,分別由喬瓦尼·法齊奧、吉姆·霍克(JimHouck)和喬治·瑞克(GeorgeRieke)領導。這三個小組後來發展了最終的終端儀器:近紅外測光儀IRAC、中紅外光譜儀IRS和中紅外測光儀MIPS。SIRTF成立了最初的科學工作組,其中的大部分人一直堅持著這個專案,直到20年後斯皮策望遠鏡終於正式升空。在種種蹉折和延遲下,斯皮策望遠鏡的設計也發生了變化,從原來的太空載儀器變成了NASA“偉大的空間望遠鏡計劃”的成員之一。隨著高空(10萬千米)自主飛行器的發明和實現,斯皮策望遠鏡被重新設計成了巨型的浸泡在製冷劑中的空間紅外望遠鏡,名字中的“飛船載”(Shuttle)也改成了“空間”(Space)。


1984年斯皮策望遠鏡(當時還叫SIRTF)科學工作小組的第一次會議在艾姆斯研究所召開,後排左起:GeorgeNewton(NASA專案經理),Dan Gezari(NASA戈達德中心),Ned Wright、Michael Jura(加利福尼亞大學洛杉磯分校),Michael Werner、Fred Witteborn(艾姆斯研究所)。前排左起:Giovanni Fazio(史密鬆天體物理中心),George Rieke(亞歷桑那大學),NancyBoggess(NASA 專案科學家),Jim Houck(康奈爾大學),Frank Low(亞歷桑那大學),Terry Herter(康奈爾大學)。版權/Michael Werner

然而,原本計劃在1991年升空的SIRTF在最後一秒鐘被叫停。這主要是受到了哈勃望遠鏡的波及(哈勃望遠鏡的主鏡剛上天就出現了對焦的問題,經過航天員多次的艙外活動,才於1994年完成了維修任務)。值此時機,NASA噴氣推進實驗室的專案工程師約翰尼·郭(Johnny Kwok)在1992年提出了更改軌道的建議,把原來的高空繞地軌道更改為繞日軌道,這樣既可以遠離地球散發的熱量對紅外儀器的干擾,也可以保證望遠鏡的太陽能板擁有固定的日照角度,提高儀器的熱穩定性。

不僅如此,繞日軌道的設計還提高了望遠鏡的觀測範圍,能做到一直有40%的天球可觀測,為進行深空的反覆長曝光創造了條件。更深的曝光可以看到更暗更遠的宇宙,而反覆地觀測同一天區,也有助於進行時域相關的天文觀測。這一軌道更新的建議一經提出,立刻得到了天文界的廣泛支援。

之後在1993年的一次會議上,經過熱烈討論,天文學家進一步決定把原來“大而全”的設計方案改成“小而精”的設計,只保留最重要的儀器,來回答最迫切解決的科學問題。這一原則下,在望遠鏡本身大小不變的前提下,由原來完全浸泡在液氦湯底中的設計,改成了常溫發射、抵達太空軌道後再用液氦冷卻降溫的新方案,極大地節省了液氦的用量和發射的載重。新設計中,所有的終端裝置都被牢牢固定,只保留了一個需要移動的儀器元件(MIPS的掃描鏡)。儘量在最小的變數下保障望遠鏡的成功。


在無塵實驗室組裝好的望遠鏡實物圖。版權/NASA/SSC

所有硬體的設計於1996基本完成。國家天文臺的黃家聲研究員,在90年代末20世紀初時,曾經參與了斯皮策空間望遠鏡上天前IRAC儀器的除錯。他口述過一則逸事。在實驗室階段的IRAC儀器原本同普通相機一樣,安裝有一個快門,以便準確地估計曝光時間,同時也可以在暗室條件下測量本底。實驗室的測試結果一直非常順利。然而,就在把IRAC儀器裝上望遠鏡後,快門測試時偶然發生了一次故障,停在了關閉狀態。如果升空後也發生這種情況,就意味著“出師未捷身先死”,將直接宣告儀器無法正常工作。IRAC小組非常擔心,緊急召集了10名工程師研究原因,最終發現快門的失常是金屬棒磁化造成的,也利用翻轉電流的方向解決了這個問題。儘管如此,在發射的最終階段,NASA評估了風險後,還是做出了不用快門的決定,讓IRAC“開”著上天,進一步防止可能的風險。

軟體方面,加州理工學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鏡科學中心,負責資料的處理分析,並在全世界範圍內接收觀測專案申請。上述快門對應的本底問題,就是通過後期的資料處理估計和去除的。相似的,斯皮策望遠鏡的IRS儀器在上天前也發生了意外,濾光片上出現了一個小小的裂縫,其產生的衍射條紋會直接影響到觀測資料的質量。但發射已迫在眉睫,再重新磨一個新濾光片已經來不及了,只能祈禱發射過程中的推力不會擴大這個裂縫。幸運的是,發射和入軌一切順利,裂縫並沒有變化。地面人員也是在後期資料處理階段,通過解衍射條紋方程,有效地去除了這一干擾項對光譜的影響。

在反覆論證的過程中,當年的SIRTF的競爭對手,歐空局(ESA)的60釐米級紅外空間天文臺ISO已經於1995年發射後又於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紅外的影象和光譜資訊。斯皮策望遠鏡最後的鏡子雖然只有85釐米,似乎沒有多大的提高,但因為同時期從接收機到控制系統設計的高速技術發展,斯皮策望遠鏡在探測的靈敏度、效率和精度方面比最初的設計提高了不止一個量級,僅從觀測的淨速度來看,1986年到2003年的速度提升就超過了1000倍。因此在同期的空間紅外望遠鏡中,斯皮策望遠鏡雖然先發而後制,它的科學發現,特別是在星系宇宙學上的發現遠遠超過了其競爭對手,甚至也超越了最早設計時的想像。乃至斯皮策望遠鏡相關的天文學家,在後來提起這30年的漫長等待和堅守時,常說的一句話是,“放輕鬆,摩爾定律會幫你解決大部分的難題。”


斯皮策望遠鏡從90年代初到最終發射時經歷的設計變化,主要體現在儀器體積上,預期壽命和望遠鏡大小基本沒變,但預算和儀器的自重得到了大輻降低。來源/ Werner/Michael/Eisenhardt/Peter/ More Things in the Heavens(普林斯頓出版社)

雖然設計時強調“小而精”,由於斯皮策望遠鏡強大的紅外觀測能力,覆蓋的科學不一而足,小到太陽系、行星形成、系外行星,大到恆星和星雲、星系和宇宙學,直接將我們對宇宙的理解帶入了一個新的層面。它更準確地測量了大麥雲中的造父變星和宇宙膨脹的速率;協同HST探測到了宇宙早期再電離時期(大爆炸後6.5億年)的星系的質量和年齡;通過探測塵埃的溫度和輻射,記錄了隨著宇宙年齡變化的恆星形成歷史,發現了我們的宇宙在大爆炸後30億年處(紅移2-3處)已經達到了生長(恆星形成)的峰值,並在這之後的100億年間一直呈下降趨勢;發現了宇宙早期就存在著許多星系團,對於我們瞭解宇宙的大尺度結構和宇宙演化非常重要;此外,斯皮策望遠鏡還發現了大量的富有塵埃的活動星系核,這些星系核代表著星系中心的超大質量黑洞正在瘋狂地吸收周圍的物質,其中大部分都因為塵埃的遮擋而很難在光學看到。

在銀河系內,斯皮策望遠鏡觀測到了雲團中年輕恆星的形成,發現了行星形成和褐矮星周邊原行星盤的痕跡,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餘年中,斯皮策望遠鏡重點認證和觀測了太陽系內的近地小行星、彗星和太陽系外的行星系統。這其中最著名的莫過於發現了擁有7顆地球大小行星的Trappist-1系統。這些太陽系外的行星系統中,有不少和我們的太陽系非常相似,這一方面從結構和成分上證明了我們的太陽系本身並不特殊;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境提供了探索的方向。


由斯皮策望遠鏡發現的Trappist-1系統的藝術加工想像圖,一顆距離地球約40光年的超冷紅矮星Trappist-1,周圍環繞著7顆地球大小的行星。隨著離恆星距離的由近及遠,水會因過熱而蒸發殆盡(圖上顯示為水汽),或者因過冷而凝結為冰。在合適的中間距離,水能以液態形式存在,這一區間被認為適合生命存在,被稱作“宜居帶”。版權/NASA/JPL-Caltech/R.Hurt(IPAC)

斯皮策望遠鏡原本預計的工作時間是5年,製冷劑的設計執行期限僅2.5年。實際上,相比於原來液氦湯的設計,儀器發熱和自然升溫造成的液氦蒸發被很好地控制了,斯皮策望遠鏡在達到工作所需的低溫(5開爾文,-268攝式度)“冷模式”下,一共工作了6年時間。消耗完製冷劑後,利用儀器自身的輻射降溫,斯皮策望遠鏡又在“熱模式”下一直工作了10餘年。隨著系統溫度的升高造成的噪音增加,進入“熱模式”後,IRS和MIPS停止了工作,IRAC剩餘的3.6微米和4.5微米依舊堅挺了許多年,直到2020年1月31日,在經費耗盡後終於正式退役,共在軌執行16年4個月,遠超原本設計的5年工作時間。

——選自《中國國家天文》2021年11月號

作者簡介 /

戴昱,國家天文臺研究員,研究方向為星系的形成與演化的多波段觀測。

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

來源:中國國家天文

編輯:雲開葉落



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/韋布又要“鴿”?空間望遠鏡上天前的一波三折

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