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斯皮策空间望远镜

斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope,缩写为SST)是美国研制的红外空间天文观测台,是美国国家航空航天局(NASA)发射的四架太空望远镜之一,也是美国国家航空航天局大型空间天文台计划的最后一台空间望远镜。SST于2003年8月25日在卡纳维尔角由德尔塔-2(Delta-2)火箭发射升空,是继红外天文卫星(IRAS)之后NASA发射的第二台红外空间望远镜。SST的主要任务是探索行星、行星盘、恒星、星系和宇宙的起源。SST原名为“空间红外望远镜设施”(SIRTF),2003年12月以空间望远镜概念的提出者、美国天文学家莱曼斯皮策(Jr.Lyman Spitzer)的名字命名。 [1-2]

NASA喷气推进实验室负责整个任务的运行管理;洛克希德-马丁公司负责设计和研制平台、望远镜的系统工程、集成和测试;鲍尔宇航技术公司负责设计和研制低温望远镜组件;任务团队还包括史密森天体物理台、NASA戈达德航天飞行中心、康奈尔大学、亚利桑那大学和加州理工学院的红外处理与分析中心 [1] 。整个任务耗资8亿美元。

SST采用低温望远镜组装的方法,把望远镜、终端设备、装有液氦的低温恒温器放置在一个保护层里,使得望远镜和终端设备(包括照相机和摄谱仪) 都维持在极低温,其中望远镜的温度为-268℃,终端设备的温度为-272℃,这种极低温使得电子探测器在红外波段就可以达到它们的最大灵敏度。同时,SST 所采用的新技术也使得它与会干扰观测的外界热源隔绝开来。例如,SST 装在一侧的太阳能电池板和防护罩总是对准太阳的, 保证望远镜时刻都在阴影之中。SST尾随地球的轨道也使得它与地球散发出的热量保持了一定的距离。 [3]

SST的轨道十分奇特,它与地球保持同样的角速度围绕太阳旋转,使其免受太阳的直接照射,等于给望远镜提供了一个天然的冷却源,使得望远镜可以少携带一些液氦,不仅减轻了望远镜自身的重量,同时也节省了资金。

SST的红外探测灵敏度极高,波长在3~180微米之间的红外辐射都能尽收“眼”底。而这个波段范围内的辐射抵达地面时会被地球大气层阻挡,对其进行地面观测几乎不可能。所以,SST能探测到宇宙中那些难以感知到的天体.例如一些黯淡的小型恒星。 [2]

SST总长约4.45m [2] ,质量950kg,为了减小地球红外辐射对其红外探测的影响,采用了独特的地球拖曳太阳轨道,即在日地连线之外绕太阳运行,并以每年约0.1个天文单位的速度远离地球,在5年设计寿命末期,距离地球约0.6个天文单位。 [1]

SST的低温主镜口径为85cm,制造材料为铍。望远镜工作在波长为3~180μm的红外波段。望远镜还有3台低温致冷科学观测仪器,分别为:红外阵列相机(像素为256×256)、红外光谱仪和多波段成像光度汁(由3个探测器阵列组成)。为避免望远镜本身发出的红外线干扰,主镜温度致冷到5.5K。望远镜本体还装有一个保护罩,以避免受到太阳和地球发出的红外线干扰。 [1]

斯皮策空间望远镜可以帮助我们研究太阳系之外的行星。这也是天文学家多年以来持之以恒的一个努力方向。行星的光芒会被恒星的光芒淹没,所以在光波段很难发现它们:而在红外波段,恒星和行星的光谱特征具有明显的区别,所以在红外波段就可以相对容易地研究太阳系以外其他恒星周围的行星。

另外,该望远镜还可以探索行星的形成过程。按照目前流行的理论,行星是在恒星周围的尘埃盘中形成的。通过观察不同演化阶段的尘埃盘.就能推断出行星形成的过程。因为尘埃的遮挡,这项工作在可见光波段很难完成。而红外观测就能穿透尘埃的阻挡,揭示里面的奥秘。

此外,斯皮策空间望远镜还能帮助天文学家研究陌生的河外星系。在它升空之前,欧洲的“红外天文卫星”发现了一些在红外波段辐射很强而可见光辐射却很弱的河外星系,这些星系大多都是正在合并或正在发生相互作用的星系。另外,还有一些星系具有一个能够释放巨大能量的星系核,叫做活动星系。目前人类对具有强烈红外辐射的星系和活动星系的了解比较少,斯皮策空间望远镜可以大力开展对这些陌生星系的观测和研究,以便更深人地了解它们。 [1]

2009年5月15日 ,斯皮策空间望远镜耗尽了最后一滴用于制冷的液氦, 结束了为期五年的“低温” 使命。 但即使在 耗尽了为保证所有探测器都达到高灵敏度的液氦之后,它也依然可以继续探测短波长的红外辐射(3.6和4.5μm)。

自2003年-2009年,SST取得了以下成就 [3]

“ 斯皮策” 的低温任务中包含了令人激动的对太阳系外行星的探测 [4] 。这些已知的太阳系外行星中有许多是被称为“热类木星”的大质量气态行星,它们都在非常靠近恒星的轨道上公转。在这其中有一颗被称为HD189733b的行星,它正围绕着一颗距离地球63光年的恒星转动。这颗行星所发出的绝大部分光都在红外波段,使得“斯皮策”可以探测它的温度和组成。

“斯皮策”的观测大大推动了对银河系的认识。现在对河外旋涡星系中富含气体和尘埃的旋臂所拍摄的照片足可以装满好几本相册,但是对于我们自己身处的银河系却做不到。不过红外天文学为我们提供了一个解决办法。

在可见光波段,很难在大距离上通过恒星计数来描绘银河系的旋臂以及其他的主要结构。银河系中绝大部分的恒星都位于一个平面(银盘)中,但是绝大多数的尘埃也是如此。那些距离地球超过3000光年的恒星所发出的可见光因此就无法穿透由尘埃所组成的“幕墙”。而银河系中心到我们的距离则达到了27000光年。幸运的是,绝大部分的红外辐射都可以穿透尘埃,使得“斯皮策”可以一览银盘无遗。

“斯皮策”能穿透星系中尘埃的能力为回答另一些问题提供了机会,那就是什么样的星系会拥有超大质量黑洞。目前已知的几乎所有的超大质量黑洞都位于星系中央恒星高度聚集的核球之中。以银河系为例,它有一个中央核球,在核球中则有一个4.5百万个太阳质量的超大质量黑洞。与旋涡星系中心核球类似的椭圆星系也具有超大质量黑洞,且最大的可以大到几十亿个太阳质量。

天文学家发现,中央黑洞和核球似乎是一起长起来的。核球的质量越大,黑洞的质量也就越大。它们之间有一个显著但却时至今日未能被解释的关系,那就是中央黑洞的质量大约是核球的0.2%。对于没有核球的星系,它们似乎应该不会拥有中央黑洞,但是“斯皮策”对无核球星系的观测却否定了这一点。

除了近距离的宇宙之外,“斯皮策”还向我们展现了早期第一代恒星和星系形成时宇宙深处的画面。虽然现在我们还无法回溯到137年前宇宙大爆炸的创生时刻,但是“斯皮策”已经将我们所能看到的范围向前推进了到宇宙历史中一个关键的阶段再电离时期。


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