斯皮策太空望远镜——我能感受到宇宙的温暖（上）
原创：牧夫天文
作者：王婧彧
校对：郭皓存王茸杨伯顺
美编：刘炎成
对宇宙中天体的观测十分类似于猎人在夜晚的森林里寻找一只只驯鹿，它们脚步轻盈、敏捷，混在风声和树叶沙沙声中，难以分辨。因此，天文学家们一直致力于通过多种途径来了解这些美丽而又神秘的“驯鹿”。
今天的主角，便是一位眼光精准的猎人。它也许是离我们最遥远，最具有传奇色彩的“红外天眼”——斯皮策太空望远镜（SST，SpitzerSpaceTelescope），它与哈勃空间望远镜（HST,HubbleSpaceTelescope），康普顿伽马射线天文台（CRGO，Comptonγ-RayObservatory）和钱德拉X射线天文台（ChandraX-rayObservatory）并称为NASA“大天文台计划”。天文学家们早在20世纪70年代就跃跃欲试，计划向太空发射红外望远镜。1979年，美国国家科学院公布的《20世纪80年代空间天文学和天体物理学发展战略》中提出将SIRTF（空间红外望远镜，SpaceInfraredTelescopeFacility）列为“为空间实验室奠基的两大天体物理学装置”之一，这就是后来的斯皮策太空望远镜。此后，在1983年和1995年相继发射了IRAS（红外天文卫星，InfraredAstronomicalSatellite）和ISO（红外空间天文台，InfraredSpaceObservatory），都取得了很不错的成果。
IRAS任务徽章
Credit:NASA
ISO任务
Credit：ESA
现在，我们暂且停下脚步，想一想为什么要花那么大的力气把望远镜送到太空上呢？
当然是因为大气层了！
大气层中的水汽、氧气和二氧化碳等成分对红外线有强烈的吸收作用，只在几个特定的波段能够穿透大气层，到达地面，这几个波段称为红外窗区。这也就意味着，地基望远镜接收到的天体的红外信息少之又少。此外，将望远镜送入太空还能避开地球大气发射的强红外背景。
各波段的大气吸收廓线。可以看出，大部分的红外线（波长1毫米到760微米）都被大气吸收了。
然而下一个问题自然而然诞生了——WhyIR(InfraredRay红外线)
我们知道，所有温度高于绝对零度的物体都在无时无刻地发射红外辐射，因此对于不发出可见光的星体，在红外波段进行研究更为方便。此外，宇宙中的星际尘埃和气体会阻挡可见光，但是无法阻挡红外线，这更增加了红外观测的重要性。要想捕捉到天体发出的红外辐射，首先需要排除其他因素的干扰，为了降低自身的温度，斯皮策太空望远镜搭载了360升液氦冷却剂，可将自身冷却到1.4K。
好了，我们接着来看SIRTF。1983年NASA公布的一项计划表明，他们打算利用航天飞机搭载望远镜。然而，1985年发射的Spacelab2上搭载的红外望远镜由于受到航天飞机自身辐射的红外线的干扰而未能完成预期目标，这让科学家们意识到航天飞机可能并不适合搭载红外望远镜，再加上1986年“挑战者号”悲剧事件的发生，NASA决定实施“自由飞行”（free-flyer）计划，由航天器提供飞行动力。由于经费原因，原定于1990年的发射一拖再拖，经过多次的修改，最终在2003年8月25日，SIRTF搭乘“德尔塔”Ⅱ型火箭在卡纳维拉尔角升空，从此，开启了辉煌的传奇一生。2013年11月，为纪念提出空基望远镜这一概念的天文学家莱曼斯皮策，将SIRTF改名为斯皮策太空望远镜。
2009年5月15日，用于冷却的液氦耗尽，标志着望远镜“冷”任务的结束和“暖”任务的开始，除了两个红外阵列相机还能正常运行外，其他设备均无法继续运转。2016年10月，斯皮策太空望远镜开启了名为“跨越”的新任务阶段。日前，NASA公布将于2020年1月30日结束斯皮策太空望远镜任务。
斯皮策太空望远镜基本参数
任务类型：红外望远镜
预期任务时长：2.5~5+年
主要仪器：0.85m主镜
IRAC（红外阵列相机，InfraredArrayCamera）：四通道相机，四个相机分别在3.6微米，4.5微米，5.8微米，8微米波长处观测。目前，用于3.6微米和4.5微米观测的相机在正常工作中。
IRS（红外光谱仪，InfraredSpectrograph）：由四个子单元组成，分别工作在5.3-14微米（低分辨率），10-19.5微米（高分辨率），14-40微米（低分辨率）和19-37微米（高分辨率）。
MIPS（多波带成像光度计，MultibandImagingPhotometerforSpitzer）：由三个探测器组成的阵列，观测的波长分别为24微米，70微米和160微米。
主镜：里奇克雷蒂安式反射望远镜，直径85cm。质量小于50千克。
轨道：地球拖尾日心轨道
望远镜结构
外壳由防尘罩，外防护罩，隔热罩和太阳能板组成，将主镜、搭载的仪器和冷却系统包裹在内。内部主镜位于最顶部，下方为一多仪器室，内置IRAC、IRS和MIPS。最底部为冷却系统。整个低温望远镜装置由其下部的太空巴士提供动力。
斯皮策太空望远镜结构示意图
Credit:NASA/牧夫天文译
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斯皮策眼中的宇宙
斯皮策太空望远镜升空16年，对人类进一步了解银河系，寻找系外行星、遥远的古老星系，了解宇宙的起源做出了巨大的贡献。当然，传回来的美图更是张张震撼人心。
“GLIMPSE”
GLIMPSE（GalacticLegacyInfraredMid-PlaneSurveyExtraordinaire，盘面中部对银河系遗迹的红外特殊巡天）旨在得到银河系的360°红外全景照片，它将斯皮策太空望远镜的IRAC拍摄的约44万张照片进行拼接，于2008年6月得到了下面的这张银河系全景图。
Credit:NASA/JPL-Caltech/GLIMPSETeam
土星——行星环之王
2010年，斯皮策太空望远镜发现了土星的这个巨大的行星环——菲比环（Phoebe）。这个行星环从距离土星六百万千米处一直延伸了一千两百万千米，环的直径能容纳下300个土星排排站。此外，这个环十分厚，厚度约为土星直径的20倍。这么大的环，为什么我们之前一直没有发现呢？这是因为这个超级环不同于一般的行星环，它是由松散的冰粒子和灰尘组成的，松散到即使我们身处其中也不会意识到。同时由于照射到土星上的太阳光并不多，这个环反射的可见光就更为微弱。斯皮策太空望远镜通过红外波段敏锐地发现了它的存在，令土星成为了名副其实的行星环之王。
土星“超级环”艺术示意图
Credit:NASA/JPL-Caltech
宇宙里有绿色海滩上的硅晶体
2011年，天文学家们在斯皮策太空望远镜拍摄的猎户座中初生的原恒星HOPS-68附近发现了硅晶体的足迹。这些晶体与构成夏威夷绿色沙滩沙子的镁橄榄石十分相似。通常来说，这种晶体只有在高温的环境下（700℃左右）才会形成，它本不应该出现在它当前的位置（-280℃左右）。天文学家们认为这些晶体是在原恒星周围形成的，之后被气流带到低温的尘埃云中，之后，它们将会降落到恒星的行星盘上，最后成为彗星的一部分。
原恒星周围的硅晶体艺术示意图
Credit:NASA/JPL-Caltech/T.Pyle
系外行星猎手
斯皮策太空望远镜在发射时并未打算用于寻找系外行星，但是后来对温控系统进行了调整之后，科学家们给处于巅峰状态的相机开辟了新的用武之地。通过分析行星发出的红外辐射，斯皮策太空望远镜能够直接探测系外行星，它甚至能够观测到行星的温度、表面的风和大气成分。而此前通常是是利用微引力透镜效应和凌星法在可见光波段进行间接观测。
斯皮策太空望远镜拍摄的系外行星——气态巨行星HD189733b的全球温度图
Credit:NASA/JPL-Caltech/H.Knutson(Harvard-SmithsonianCfA)
TRAPPIST-1是2016年由地面望远镜发现的一个行星系统，当时只知道有三颗类地行星。2017年，斯必策望远镜联合其他地面望远镜对这个系统进行了后续观测，又发现了四颗新行星，因此Trappist-1的行星总数上升到7颗，其中三颗位于恒星周围的宜居带里，这也让TRAPPIST-1成为最著名的行星系统之一。
TRAPPIST-1恒星系与太阳系对比图
Credit:NASA/JPL-Caltech/R.Hurt,T.Pyle(IPAC)
前方一波宇宙美图来袭！
仙王座全家福
蟹状星云
Credit:NASA,ESA,G.Dubner(IAFE,CONICET-UniversityofBuenosAires)etal.;A.Lolletal.;T.Temimetal.;F.Sewardetal.;VLA/NRAO/AUI/NSF;Chandra/CXC;Spitzer/JPL-Caltech;XMM-Newton/ESA;andHubble/STScI