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赫歇尔空间天文台

赫歇尔空间天文台是欧洲空间局的空间天文卫星,”赫歇尔“实质上是一个太空望远镜,造价10亿欧元,它是人类有史以来发射的最大的远红外线望远镜,将用于研究星体与星系的形成过程。

赫歇尔空间天文台是欧洲空间局的空间天文卫星,2009年5月14日在法属圭亚那库鲁航天中心和普郎克巡天者一起由欧洲阿丽亚娜5-ECA型火箭发射升空。6月14日,地面任务控制中心发送指令,命令“赫歇尔”打开用于保护敏感仪器免遭污染的舱门,利用光电阵列和射谱仪(PACS)对涡旋星系M51进行了探测,揭开了正式使用的帷幕。 [1]

赫歇尔进入距离地球150万公里环绕着L2〔即第二 拉格朗日点〕,直径70万公里的利萨如轨道。赫歇尔将在围绕地-日系统的第二拉格郎日点(L2)的轨道上运行。L2严格说已经是行星轨道,属于“深空”范畴,成为包括接替哈勃望远镜的James-Webb空间天文台等多个天文观测空间望远镜的首选轨道。2001年升空探测微波背景辐射各向异性的卫星WMAP也是定位于L2。

赫歇尔(Herschel)是欧洲空间局(ESA)建造的的大型红外空间望远镜,作为空间科学“基石”项目,是ESA研制的最为复杂的航天器。它具有直径3.5米的主镜和三台非常灵敏的探测仪器:成像光谱与测光仪(Spectral and Photometric Imaging Receiver 简称SPIRE)、光电阵列和射谱仪(Photodetector Array Camera and Spectrometer Instrument 简称PACS)、远红外外差接收机(Heterodyne Instrument for the Far Infrared 简称HIFI。中国参与研制的是SPIRE部分。

赫歇尔空间天文台原名为“远红外线和亚毫米波望远镜”(Far Infrared and Submillimetre Telescope,简称FIRST),为纪念发现红外线的英国天文学家赫歇尔而命名为赫歇尔空间天文台。它将是第一个在太空中对整个中远红外线波段和亚毫米波段进行观测的天文台,安装有太空中最大的反射式望远镜,直径3.5米。它将专门搜集来自遥远的不知名天体的微弱光线,例如数十亿光年远的年轻星系。光线将聚焦在维持在2K〔大约为-271.15摄氏度〕低温的三件仪器上。

“赫歇尔”宽4米,高7.5米,是迄今为止人类发射的最大中远红外线望远镜。“赫歇尔”望远镜的镜面直径比美宇航局“哈勃”太空望远镜大,对波长较长的光线极为敏感,即远红外线和直径小于1毫米的光线。光电阵列和射谱仪可以覆盖较短的光谱,而成像光谱与测光仪则用于捕捉较长的光谱。除了长就一双“慧眼”,“赫歇尔”望远镜还携带了约2300升超流体氦,可以起到冷却望远镜的作用,让望远镜的内部工作温度接近绝对零度(零下273.15摄氏度),从而尽可能地降低仪器本身的辐射,达到最优的观测效果。 与太阳相比,宇宙中其他星体的表面温度相对较低,因此,虽然它们以红外线波段释放能量,但很难被太空望远镜察觉。“赫歇尔”则可以凭借尖端的仪器,探测到更多远红外线范围内的宇宙星体,包括银河系内和银河系之外的星体。此外,它还能够对宇宙尘埃和气体进行观测,探索银河系之外恒星的形成,发现宇宙形成的奥秘。

赫歇尔将专门搜集来自太阳系以及银河系,甚至数十亿光年远的外星系,像是新生的星系,天体的光线,和充实四个主要领域的研究:

在早期宇宙的星系形成和星系的演化;

恒星形成和它与星际介质的交互作用;

包括行星、彗星和卫星等太阳系内天体表面和大气层的化学成分;

整体宇宙的分子化学。

赫歇尔空间站在太空中使用 “高斯滤波最小频移键控系统(GMSK)”,该系统功率和带宽较大,通常用于全球移动通信系统手机网络的数据传输。赫歇尔具有1.5 Mbps的测试传输速率,大约相当于家庭互联网连接速度。赫歇尔空间天文台传输的测试数据已被澳大利亚新诺卡深太空跟踪站接收。

2009年6月,观测到M51漩涡星系神秘光线。

2009年10月24日,观测到老鹰星云(NGC 6611)核心部位的恒星形成区,其中存在着大量的星际气体和尘埃。 [2]

2011年,赫歇尔空间望远镜首次在猎户座的三个红外波段上,首次发现每一区域大约每100万个氢分子中存在1个氧分子。 [3]

2011年,赫歇尔首次在太空中发现了带电的太空水。这种水与人们熟悉的固体冰、液态水和气态蒸气都不相同,属于一种新的水“态”,其在地球上不会自然生成。 [4]

2011年5月,探测到在一些合并星系中心部位发出的超高速分子喷流,其中一些喷流的速度高达每秒1000公里,比地球上飓风快万倍。赫歇尔的观测显示,在一些拥有活动星系核(AGN)的星系中,这种强烈的星系飓风能吹散几乎所有的尘埃和气体物质,从而造成星系内部恒星形成过程停止,中央黑洞也得不到新的物质补给。这项发现的意义在于,它第一次找到了科学家们一直在苦苦寻觅的,有关恒星新生过程和黑洞吸积的负反馈机制。 [5]

口径3.5米、价值10亿欧元的赫歇尔(Herschel)红外空间天文台是欧洲空间局所研制的最复杂的空间设备,有效寿命预计为3-4年,将成为世界顶尖级的大型空间天文台。2005年中国科学院国家天文台在“百人计划”引进人才黄茂海研究员带领下,与赫歇尔的造价达一亿欧元的主要仪器SPIRE项目签署协议,展开合作,正式成为其国际合作伙伴。中国在仪器控制中心和赫歇尔总体科学公共系统(HCSS)研制等方面投入软件工程力量,作为国家天文台作出贡献的回报,中国获得两个科学专家组成员名额,由国家天文台黄茂海、李金增两位研究员担任。

SPIRE主要仪器系统由英国主导,包括中国在内的7个国家参与研制。

其实,在赫歇尔红外天文台与普朗克卫星〔planck〕被火箭发射升空时,它的退役时间就已经被写在日程表里了,根据当时液氦的消耗速度和所携带的液氦总量,赫歇尔红外天文台将于2013年3月使用完所携带的液氦,于五月将永久退役。

赫歇尔红外天文台其实在退役后有两个备选方案:一是将赫歇尔红外天文台推入一个太阳轨道,这样它在未来数百年内不会再接近地球。二是引导赫歇尔红外天文台进入撞击月球的轨道,令其高速冲击月球以便在此过程中对月球地表下方可能存在的水冰进行探测,也使它在生命的最后一刻绽放出异样光彩。

据国外媒体报道,赫歇尔空间望远镜的控制团队已清空了卫星的燃料贮箱,并指令其切断所有通讯。此时,这颗空间天文卫星正在围绕着太阳缓慢漂泊,其与地球的距离约为214万公里。

格林威治标准时间2013年6月17日12:25,在德国达姆施塔特,欧洲空间控制中心(ESOC)向赫歇尔空间望远镜发出了关闭通讯的最终指令。这段无线电指令发出后需要6秒钟的时间才能到达望远镜,之后,地面控制中心需要等待6秒钟才能确认通讯信号已经关闭。

在赫歇尔空间天文台耗尽最后一滴超流体氦冷却剂之后,其退役也被提上了日程。氦冷却剂对卫星上的设备和探测器至关重要,一旦用尽,整个卫星基本就失去了观测各种天体的能力。

使赫歇尔空间天文台退役的第一步,就是将其从观测位置移出。该位置的引力条件十分优越,距离地球的“夜面”约150万公里,被称为L2〔第二拉格朗日点〕。在7米长的赫歇尔望远镜移出之后,其他航天器就有机会进入L2拉格朗日点,充分利用这里稳定的温度和光照条件。控制中心还清空了赫歇尔望远镜的肼推进剂贮箱,以减少未来爆炸的风险。清空过程中,控制中心指挥卫星启动推进器,最终将燃料耗尽。

在赫歇尔望远镜缓慢漂泊可能还会出现翻滚的过程中,它的电池还将继续工作,为卫星上的计算机提供电源。“在正常情况下,赫歇尔望远镜可 以利用一个自动恢复功能,启动异频雷达收发机,但我们已经将这一功能关闭,”米卡施密特说,“它将永远不再联系地球。我们会再次发出指令。这种模式是硬连线的,我们无法克服,但我们并不是故意要这么做。”

虽然赫歇尔空间天文台的观测生涯已经结束,但它采集的大量数据仍将带来众多的科学进展。天文学家将继续检视它拍摄的大量图片,在很长的一段时间 里,这些图片仍将带来许多重要的发现。除此之外,其他一些天文望远镜也能够在同样的波段上进行探测,它们获得的数据与赫歇尔望远镜的数据可以互相佐证。在这些望远镜中,就有位于智利,新建不久的阿塔卡玛大型毫米波天线阵。

“赫歇尔望远镜让人印象深刻,至少在未来十年,甚至更长的时间里,它仍将继续带来许多科学发现。当拥有这样一个低温望远镜的时候,你几乎必须要 时时催促自己。因为它运行的时间是有限的,你必须尽可能快地完成各种观测。而且在那之后,你还需要仔细检视它的观测数据,这需要很长的一段时间,”欧洲航 天局科学主管阿尔瓦罗希门尼斯(Alvaro Gimenez)教授说,“赫歇尔望远镜使我们对银河系中恒星、行星有了非常多的了解。它向我们展示了许多恒星沿着巨大的宇宙细丝(filaments, 由气体和尘埃构成)形成的过程。这些都是我们之前未曾知晓的。”


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