NASA慶祝斯皮策太空望遠鏡的科學遺產

在這幅NASA斯皮策太空望遠鏡的藝術渲染圖中，背景以紅外光顯示。

版權：NASA/噴氣推進實驗室-加州理工學院（JPL-Caltech）

NASA正在慶祝其四大太空望遠鏡之一，斯皮策太空望遠鏡留下的科學遺產。在用紅外線探索宇宙超過16年後，斯皮策的探測任務將於2020年1月30日結束。

斯皮策於2003年發射升空，它揭示了已知宇宙物天體之前未曾被發現的隱藏特徵，並引發了從太陽系的小行星到接近宇宙邊緣的遙遠星系的一系列新發現和新見解。

NASA總部天體物理學部門主任保羅•赫茲（Paul Hertz）表示：“斯皮策教會我們紅外光對於了解宇宙而言是多麽重要，無論是在太陽系中，還是在遙遠的星系中。未來我們在天體物理學的許多領域取得的進步都將歸功於斯皮策的非凡科學遺產。”

斯皮策被設計用來研究“低溫天體, 古老天體和塵埃物質” （the cold, the old and the dusty），天文學家在紅外線下可以清晰觀測到它們。紅外光光譜範圍從700納米（肉眼無法看到）到1毫米（大頭針頭大小）。不同的紅外波長可以揭示宇宙的不同特徵。例如，斯皮策可以觀測到因溫度太低而無法發出多少可見光的天體，包括系外行星（太陽系外的行星）、褐矮星和恆星間空間中發現的冷物質。

至於“古老天體”，斯皮策已經對一些迄今為止發現的最遙遠星系進行了觀測。其中一些星系發出的光經過了數十億年才到達地球，使科學家們得以看到那些非常古老的天體。事實上，斯皮策和哈勃太空望遠鏡（該望遠鏡的觀測主要集中在可見光波段和比斯皮策探測的紅外波段波長更短的近紅外波）共同發現並觀測了迄今為止觀測到的最遙遠星系。我們所看到的這個星系的光是134億年前發出的，當時宇宙的年齡只有不到現在的5%。

2003年，斯皮策太空望遠鏡（前身為SIRTF，空間紅外望遠鏡設施）準備在卡納維拉爾角空軍基地發射。

版權：NASA

除此之外，這兩架望遠鏡發現這些早期星系比科學家們所預期的還要更重。通過觀測距離我們相對更近一些的星系，斯皮策加深了我們對星系在整個宇宙歷史中是如何形成和演化的理解。

斯皮策還對星際塵埃有著敏銳的觀測度，這些塵埃普遍存在於大多數星系中。星際塵埃與大量氣體雲混合，可以凝結形成恆星，而殘留物可以形成行星。通過光譜學技術，斯皮策可以分析塵埃的化學成分以了解行星和恆星的組成成分。

2005年，NASA的“深度撞擊”（Deep Impact）號有意撞擊坦普爾1號彗星（Comet Tempel 1）之後，斯皮策對揚起的塵埃進行了分析，提供了一份可能存在於早期太陽系的物質清單。另外，斯皮策在土星周圍發現了一個以前未被探測到的光環，該光環由稀疏的塵埃粒子組成，反射的可見光微弱而無法被可見光望遠鏡捕捉到。

這張由NASA斯皮策太空望遠鏡拍攝的圖片突出顯示了Messier 81星系壯麗的旋臂。該星系位於大熊座的北部星座，距離地球約1200萬光年。

版權：NASA/JPL-Caltech

此外，紅外波段可以穿過可見光無法穿透的塵埃，這使得斯皮策能夠揭示一些隱藏於可見光視線之外區域的奧秘。

斯皮策項目科學家邁克爾•沃納（Michael Werner）表示：“斯皮策在其任務期間所做的一切，從探測太陽系中比加長豪華轎車還小的小行星，到研究我們所知的一些最遙遠星系，都是相當驚人的。”

斯皮策項目科學家們為了加深他們的科學洞察力，經常將他們的發現與其他望遠鏡的發現相結合，包括NASA“四大太空望遠鏡”的另外兩台望遠鏡 - 哈勃太空望遠鏡和錢德拉X射線天文台。

這幅由NASA斯皮策太空望遠鏡拍攝的圖像顯示，成千上萬顆恆星密集分布於螺旋狀銀河系的漩渦中心。在這幅圖中，年齡更大、溫度較低的恆星用藍色顯示，而用紅色顯示的是熾熱的大質量恆星。

版權：NASA/JPL-Caltech

太陽系外的世界

斯皮策最偉大的一些科學發現，包括那些關於系外行星的發現，都並不是其最初科學目標中的部分。斯皮策項目團隊通過“凌日法”（transit method）確認了TRAPPIST-1系統中與地球大小相近的兩顆行星的存在。凌日法的原理是如果一顆行星從恆星前方通過時，將可以觀察到恆星的視覺亮度會略微下降一些。在這之後，斯皮策在同一系統（TRAPPIST-1）中又發現了與地球大小相近的五顆行星，並提供了有關它們密度的重要信息，這是迄今為止發現的單個恆星周圍發現類地行星數量最多的。

斯皮策是第一台能夠直接探測系外行星的發出的光的望遠鏡，同時也是第一台能夠直接識別系外行星大氣分子的望遠鏡。（此前的研究已經揭示了系外行星大氣中的化學元素。）斯皮策還首次測量了系外行星大氣中的溫度變化和風。

帕薩迪納市加州理工學院加州理工紅外光影像處理及分析中心（Infrared Processing and Analysis Center，IPAC）斯皮策科學中心的主管肖恩•凱裡（Sean Carey）表示：“當斯皮策被設計出來的時候，科學家們還沒有發現一顆’凌日’的系外行星，即便到它發射的時候，我們依舊知之甚少。斯皮策成為如此強大的系外行星探測工具而這並非設計者們最初的意圖，這一事實意義深遠。我們得到的一些觀測結果使我們大吃一驚。”

NASA斯皮策太空望遠鏡拍攝的這幅圖中顯示，新誕生的恆星正在位於蛇夫座的心宿增四（Rho Ophiuchi）的暗星雲中孕育而生，這片區域被天文學家稱為“Rho Oph”，距離地球約400光年，是距離太陽系最近的恆星形成區域之一。

版權：NASA/JPL-Caltech

保持低溫

斯皮策的一個主要優勢是其紅外探測靈敏度極高，能夠探測到非常微弱的紅外異塵餘生。地球是紅外異塵餘生的主要來源，若想要觀測到來自地表微弱的紅外異塵餘生無異於試圖在太陽當空時去觀察星星。這就是為什麽斯皮策的設計者們將其設計成第一台在地球尾隨軌道運行的太空望遠鏡：斯皮策在這個軌道上遠離地球散發出的熱量，使探測器不必與地球自身的紅外異塵餘生相抗衡。

不同的紅外波長可以揭示宇宙的不同特徵。一些地面望遠鏡可以觀察特定的紅外波長，並提供有一些有價值的科學見解，但斯皮策的靈敏度遠超大型地面望遠鏡，能夠探測到更微弱的光源，例如非常遙遠的星系。更重要的是，它被設計用來探測一些被地球大氣完全阻擋的紅外波長，並對超出了地面望遠鏡觀測範圍的波長進行可視化渲染處理。

什麽是紅外線？我們如何利用它來研究宇宙？紅外異塵餘生（IR），或紅外光，是一種人類肉眼看不到的異塵餘生能，但我們可以感受到它的熱量。宇宙中的所有天體（無論熱還是冷）都會發出一定程度的紅外異塵餘生，這使得像NASA斯皮策太空望遠鏡這樣的紅外望遠鏡在探測那些不可見的天體時大有用途。

航天器也能產生紅外線熱量，所以斯皮策的設計使其保持低溫，在零下450華氏度（零下267攝氏度）的低溫下運行。2009年，斯皮策耗盡了液態氦冷卻劑的供應，標誌著其“冷任務”（cold mission）的結束。但是斯皮策與地球的距離很遠，這使得它的溫度並沒有升高太多，其運行溫度仍然在零下408華氏度（或零下244攝氏度）左右。斯皮策的“溫暖任務”（warm mission）已經持續了十年多，幾乎是它所執行的“冷任務”的兩倍長。

最初的斯皮策任務計劃者並沒有預料到它能運行16年以上。這一延長的生命周期帶來了斯皮策最深遠的科學成果，但同時因為航天器離地球越來越遠而帶來了挑戰。

斯皮策任務主管約瑟夫•亨特（Joseph Hunt）表示：斯皮策在距離地球如此分離度運行並不在我們的計劃之內，因此我們不得不年複一年地進行調整，以保證航天器繼續運行。但我認為，克服這一挑戰讓人們對這項任務產生了極大的自豪感。這項使命與大家同在。”

2020年1月30日，工程師們將使斯皮策航天器退役並停止科學運作。NASA在2016年高級審查過程中決定終止斯皮策任務。原本的收尾計劃是擬於2018年詹姆士•韋伯太空望遠鏡發射（James Webb Space Telescope，該望遠鏡也將進行紅外天文學觀測）發射升空之前。但因為詹姆士•韋伯太空望遠鏡的發射被推遲，斯皮策任務被批準第五次同時也是最後一次延期。這幾次延長任務給了斯皮策更多時間來繼續產生變革性的科學成果，包括為詹姆士•韋伯太空望遠鏡任務奠定了堅實基礎。

JPL為位於華盛頓的NASA科學任務理事會（Science Mission Directorate）管理和執行斯皮策太空望遠鏡任務。科學運作在加州理工學院IPAC的斯皮策科學中心（Spitzer Science Center）進行。空間操作由總部設在科羅拉多州利特爾頓的洛克希德•馬丁太空公司（Lockheed Martin Space）負責。航天器收集的數據存儲在加州理工學院IPAC的紅外科學檔案館（Infrared Science Archive）。加州理工學院為NASA管理JPL。

https://www.nasa.gov/mission_pages/spitzer/main/index.html

https://go.nasa.gov/SpitzerToolkit

https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/spitzer/

來源：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-celebrates-the-legacy-of-the-spitzer-space-telescope