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红外空间望远镜有哪些用途拍到了什么闪闪的繁星

时间：2024-09-28 10:24来源：www.cznuofan.com作者：未知点击：

天文学家最讨厌阴天，没什么比不可以看到点点繁星愈加糟糕的事情了。然而纵使在万里无云的夜空，大家也只能看到可见光等波段有限的光芒，紫外、红外等波段的光大都被地球大方中的水蒸汽、二氧化碳、臭氧等吸收得一干二净，地面上的大家几乎束手无策。然而，在这类波段可以看到很多可见光看不到的细节，对于天文学具备要紧意义，诸如在红外波段大家可以观测到年轻的恒星、行星与原始星系，这对分析宇宙、银河系、太阳系甚至地球与生命的由来有要紧意义。

天文学家绞尽脑汁考虑逃离大方影响的办法，其中最直接有效的方法就是发射空间望远镜卫星，前往地球大方层以外进行观测。

气球与飞机观测

距离可见光较近的近红外波段性质与可见光类似，在地球大方含水量较少的地方可以观测，因此坐落于地面的红外望远镜多选择建于干燥的沙漠、高原或南很大陆。然而对于中红外、远红外波段的观测，这类地面望远镜便心有余而力不足了。20世纪60年代，迫不能已的天文学家用气球挂载探测仪器飞向水含量少的高空进行红外观测，但气球探测的观测时间过短，稳定性差，不确定性也比较高。

地球大方对不同波段电磁波的吸收率示意图

1974年，一架改装过的洛克希德C-141运输机飞上云霄，在14千米高的平流层进行红外观测，这就是在当年被红外天文学家视为珍宝的美国宇航局柯伊伯机载天文台（KuiperAirborneObservatory，KAO）。这架飞机搭载了一部口径0.915米的反射式望远镜，在巡航高度可以观测到85%的红外波长。相比原来随风飘逝的气球，这架飞机可以提供愈加稳定的观测条件，能连续观测7.5小时以上。柯伊伯机载天文台总共进行了1417次飞行，获得了丰厚的观测成就，很大推进了红外天文学的进步。它拍摄了来自银河系中心和其他星系的远红外图像，研究了恒星形成地区中水和有机分子的分布，并在1977年第一发现了天王星环，在1988年确定了冥王星存在大方层。柯伊伯机载天文台于1995年功成身退。

柯伊伯机载天文台与其望远镜特写

相比发射天文观测卫星，机载天文台具备本钱低、便于人工维护等优点，因此目前依旧有进步与应用。在柯伊伯机载天文台退役后，美国宇航局开始研发性能愈加强劲的索菲亚平流层红外天文台（SOFIA），并于2010年初次观测。这架改装过的波音747宽体机在机尾部分有一面高5.5米、宽4.1米的门，内部搭载了一部直径2.5米的反射式望远镜，并且可以在夜间连续飞行10小时。“索菲亚”现在仍在役，它将研究行星大方和表面的组成，探索彗星的结构、演化和组成；确定星际介质的物理化学性质，并探索恒星和其他恒星的形成过程。

索菲亚平流层红外天文台与其望远镜特写

红外天文卫星（IRAS）

虽然机载红外天文台的本钱较低，但依然有15%的红外光没办法看到，同时不可回避飞机抖动的影响。因此，发射红外波段的空间望远镜仍是最好选择。1983年1月25日，美国、荷兰与英国联合发射了世界上第一款红外空间望远镜——红外天文卫星（InfraredAstronomicalSatellite，IRAS）。

IRAS 拍摄的红外全天巡天图像

IRAS重1.08吨，配备一部直径0.57米的主镜，运行于900千米高的太阳同步轨道上。这是人类首次完全避免地球大方的影响，毫无遮拦地在红外波段进行天文观测。IRAS在12微米、25微米、60微米、100微米4个不一样的波段对96%的天空进行了扫描，获得了全世界第一幅红外全天巡天图像，开创了天基红外天文学的先河。IRAS共发现大约35万个红外发射源，其中多数仍在等待鉴别。除此之外，它还发现了4颗小行星和6颗彗星等新天体。

IRAS是第一部在太空用超流体的卫星。由于红外光的强度与物体的温度有有关性，所以卫星本身也会发出红外线。为了避免卫星本身红外线的影响，IRAS携带了73千克的超流体液氦作为制冷剂。这类液氦缓慢挥发，可以将望远镜冷却到-271℃（2开尔文）的极低温度。这类液氦资源是有限的，在工作9个月零26天后液氦耗尽，IRAS温度升高，影响了其正常观测，任务结束。

红外空间天文台（ISO）

1995年11月17日，由欧空局主导，在日本宇宙航空研究开发机构和美国宇航局的合作下，红外空间天文台（InfraredSpaceObservatory，ISO）成功发射。与IRAS相比，ISO的性能指标有了进一步的提高，它重2.5吨，主镜直径为0.6米，运行于近地址1000千米、远地址70600千米高的大椭圆轨道上。在这一轨道其环绕周期为24小时，与地球自转速度一致，也与地面科研职员作息一致，有益于提升天文台的用法效率。

ISO 的主镜

ISO的设计指标参照IRAS进行了提高，同时携带4台观测仪器使它的观测波长范围拓展到了2.5至240微米，在12微米波段下其灵敏度提升了1000倍，角分辨率提升了100倍，可谓“见微知著”。除此之外，它携带的液氦制冷剂达到了283千克，使它的用法寿命进一步延长，达到了接近两年半。

ISO 的长波光谱仪备份件

ISO获得的观测成就丰硕。原本天文学家觉得行星只能在年轻的恒星周围形成，但ISO在垂死的恒星周围发现了年轻的行星，拓展了理论认知。ISO通过携带的红外光谱仪性能优秀，通过对光谱的辨别可以确定遥远天体的物质组成，譬如ISO测量了太阳系内几颗行星大方的化学组成，并且初次在星际气体云中测试到氟化氢分子，还在猎户座大星云中探测到水分子的存在。

不同波段下的蟹状星云，可以观测到不同细节的影像

斯皮策空间望远镜（Spitzer）

斯皮策空间望远镜（SpitzerSpaceTelescope）是继IRAS与ISO后第三台致力于红外天文学的空间望远镜，以美国天文学家莱曼·斯皮策命名，斯皮策早在1946年就提出了在外太空部署望远镜的设想。

斯皮策空间望远镜于2003年8月发射，重量只有0.95吨，但主镜直径却达到了0.85米，由于主镜使用了轻质金属铍。愈加一流的制冷技术使它消耗的液氦量明显减少，只携带了50.4千克液氦，却足足用了接近6年时间。斯皮策空间望远镜选择了一条特殊的地球追踪轨道。在这一轨道上，望远镜将逐年离得远远的地球，以进一步减少地球这一红外热源对观测的影响，同时减少液氦用量。

斯皮策望远镜观测模拟图

斯皮策望远镜携带了3台观测仪器，探测波段为3.6~160微米。最为著名的探测成就，是它在2005年成为第一部直接捕捉到来自系外行星的望远镜。2006年3月，斯皮策望远镜在银河系中心发现了一个80光年长的双螺旋星云。据天文学家剖析，它之所以扭曲成双螺旋形状是由于其中心存在一个超大水平黑洞，黑洞产生的巨大磁场导致光路偏转。这是黑洞存在的直接证据之一。

斯皮策望远镜拍摄的“上帝之眼”螺旋星云，蓝色对应波长 3.6 到 4.5 微米，绿色对应波长 5.8 到 8 微米，红色对应波长 24 微米

“斯皮策”在2009年5月15日用完了液氦制冷剂，这致使远红外波段的观测工作终止。不像前两代IRAS和ISO在制冷剂用完后直接退役，“斯皮策”的红外阵列相机此后依然在近红外波段工作，并发现了更多颗系外行星、褐矮星、原恒星等遥远且黯淡的天体，这一段时期被称作“斯皮策温暖任务”。直到2020年1月30日因能源供给不足而被永久关闭，斯皮策望远镜被榨干最后一丝能量后永久地睡去了。

赫歇尔空间天文台（Herschel）

欧空局在2009年5月14日成功发射了赫歇尔空间天文台（HerschelSpaceObservatory），这部空间望远镜以发现天王星的天文学家威廉·赫歇尔、卡罗琳·赫歇尔兄妹命名。它是在詹姆斯·韦伯空间望远镜发射前世界上最大的空间望远镜，重3.4吨，拥有一部主镜直径3.5米的望远镜。更大的口径可以带来愈加强劲的观测能力，赫歇尔空间天文台是截至现在唯一一部可以看到从55微米的中红外波段到672微米的亚毫米波段的望远镜。波长这样长的红外线可以穿过星际气体和尘埃，使赫歇尔空间天文台可以看清灰尘遮盖的神秘地区。

赫歇尔空间天文台的主镜

赫歇尔空间天文台的主镜材料并不是玻璃，而是由碳化硅制成。由于直径3.5米的玻璃镜面在巨大的温度变化下会产生明显的形变，而碳化硅具备低热膨胀系数、高导热性、高硬度和高刚性，因此十分合适制作直径3.5米的主镜。

赫歇尔空间天文台运行在距离地球150万千米远的拉格朗日L2点，在这一点可以在尽量离得远远的太阳、地球、月球这三大红外热源的同时，保证观测能力、电力提供与通信能力的效益最大化。赫歇尔空间天文台探测了宇宙早期的星系演化过程，察看了恒星形成及其与星际介质的相互用途，并且测量了太阳系内行星、彗星和卫星的大方化学成分。

赫歇尔空间天文台拍摄的玫瑰星云，蓝色对应波长70微米，绿色对应波长160微米，红色对应波长250微米

这部红外望远镜的核心探测器也需要液氦冷却，它携带了约320千克液氦，将望远镜核心部件降温到-271℃以下。它在正常运作接近4年后，于2013年4月29日将液氦耗尽，任务结束。

赫歇尔空间天文台在2011年8月发现星际空间中存在氧气分子，在同年十月还通过测量哈特利2号彗星中氘含量，表明地球上的大多数水刚开始可能来自彗星撞击。受益于日益进步的计算机技术，这部望远镜数据采集与存储能力大大提高，在2013年退役后依然留下了巨量的科学数据等待天文学家处置。2014年1月，欧空局天文学家用赫歇尔的数据初次确定在矮行星谷神星上存在水蒸汽，使天文学家重新考虑了彗星、小行星和矮行星之间的界限。直到2017年，天文学家们才将“赫歇尔”留下的探测数据剖析完毕。

宽视场红外测量探测器（WISE）

宽视场红外测量探测器（WidefieldInfraredSurveyExplorer，WISE）是美国宇航局在2009年12月14日发射的小型红外空间望远镜。它只有0.66吨重，配有一部直径0.4米的主镜，运行在525千米高的太阳同步轨道上。这颗卫星与先前的红外空间望远镜相比规格较小，是由于它承担的任务有所差异。WISE将专注于在3.3、4.7、12和23微米的波段对全天进行迅速成像，以搜寻小行星、彗星和部分冷暗的恒星。

WISE身材小巧，身手敏捷，每隔11秒就能拍摄一张图像，截至2010年底拍摄了150万张之多。依据这类图像，天文学家发现了太阳系内33500颗新的小行星和彗星，其中包含地球的第一颗特洛伊小行星。除此之外，它还发现了太阳系外一种全新的褐矮星。10个月后，WISE携带的液氦耗尽，进入休眠模式。

宽视场红外测量探测器观测模拟图

不同于其他直接退役的卫星，WISE在2013年被重新唤醒，并重命名为近地天体广域红外巡天探测器（NEOWISE），在近红外波段继续搜索近地小行星与彗星，并探寻与地球存在相撞风险的小行星。

宽视场红外测量探测器拍摄的彗星 Siding Spring

詹姆斯·韦伯空间望远镜

美国宇航局与欧空局合作的詹姆斯·韦伯空间望远镜，它拥有一部直径6.5米的巨大主镜，专注接收从0.6到28.5微米的的近红外光，于2021年12月25日发射升空，并取代赫歇尔空间天文台，打破世界上最大空间望远镜的记录。其技术达到了现在人类可以达到的巅峰。

詹姆斯·韦伯空间望远镜巨大的主镜

将来可期

美国还有多枚红外空间望远镜的中远期发射计划，包含于2027年发射的南希·格雷斯·罗马空间望远镜（NancyGraceRomanSpaceTelescope）、2035年发射的由来空间望远镜（Origins）等。罗马空间望远镜配备一部直径2.4米的宽视场主镜，它将探索宇宙膨胀的历史和宇宙结构的变化，并精准测量宇宙中暗能量的影响，验证时空曲率、广义相对论的一致性。起源空间望远镜的设计更为抢眼，它将拥有一部直径达8到15米的巨大主镜，将在远红外波段达成观测能力的飞跃，其角分辨率与赫歇尔相比提高了10000倍以上。

罗马空间望远镜模拟图

起源空间望远镜模拟图

纵览空间红外望远镜发射史，大家可以看到愈加大的主镜直径、愈加一流的主镜材料、愈加强劲的制冷系统、愈加高效的数据获得与通信能力。这会带来愈加精细的角分辨率，呈现出前所未有些细节。

世界主要红外空间望远镜主镜大小及主镜温度对比图

人类的好奇心是伟大的，它带领人类前赴后继地探索宇宙起源、生命起源的真谛。而这都需要红外空间望远镜的技术支持，只有通过这类冰冷的望远镜，人类才能“不畏浮云遮望眼”，点燃一代代人澎湃又炽热的心。

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