网络营销经理 月收入:找寻宇宙的热量

William H. Waller
Melipal译自Sky and Telescope, Vol.105, No.2 (2003)

NASA的最后一座大天文台正准备去革新人类对宇宙认识——就象它的姊妹那样
经过25年的孕育，NASA的空间红外望远镜（Space Infrared Telescope Facility, SIRTF）整装待发，即将踏上它那极具创新色彩的宇宙探测征途。这座自动天文台能够窥测其他望远镜不曾看到的地方，并将以前所未有的高分辨率去巡视红外天空。
任何温度高于几开尔文的天体都可能成为SIRTF的观测目标。在这架望远镜的待测天体清单上，与恒星不很相象的褐矮星、恒星形成区中被尘埃遮盖的早期行星系、含有不发光尘埃和有机分子的大质量气体云，以及能追溯到宇宙诞生早期的原星系占据了很重要的地位。谁又清楚有多少种未知天体躲避了400年的望远镜观测呢？

Sky and Telescope杂志的封面，前景即为SIRTF，背景是红外波段的猎户座大星云（M42）。本文为该期的封面文章。
最后一座大天文台
SIRTF标志着NASA的大天文台(Great Observatory)计划达到了顶峰。大天文台包括四架独立建造的太空望远镜，用以研究天文学几个最基本的问题：宇宙、星系，还有太阳系是如何起源的？它们又将如何终结？每座大天文台在电磁波谱的不同波段工作，按照最初的设想，它们将同时在轨观测。
1990年4月，发现号航天飞机将货物舱中搭载的哈勃太空望远镜送入轨道，标志着第一座大天文台正式登场。经历了一段曲折的开端后，10年来哈勃对可见光和紫外天文学作出的重大贡献已使科学家们和社会公众欣喜。

SIRTF结构示意
左图：SIRTF结构示意，底部有高增益天线；蓝色的为液氦罐；其上的棕色部分是仪器舱，内有MIPS、IRS和IRAC三架仪器；灰色柱体为望远镜；太阳能电池板在侧面。它有4米高、865千克重。
康普顿伽玛射线天文台于1991年4月由亚特兰蒂斯号航天飞机携带升空。在将近10年的观测中，它揭示了伽玛射线暴、脉冲星、黑洞的秘密。之后，飞船上的一个陀螺仪失灵了。如果第二个陀螺仪再失灵，这颗17吨重的卫星将彻底失控。为了避免卫星在大气层中燃烧后的残片到处撒落，NASA已在2000年6月让康普顿重返地球，落入太平洋。
1999年，该计划的第三架望远镜，钱德拉X射线天文台由哥伦比亚号航天飞机发射，并被助推火箭送入更高的轨道。从那时起，它利用其超高分辨率，送回了关于黑洞周围X射线环境、类星体，甚至是行星、彗星这样的近距离天体的珍贵信息。与哈勃类似，除非遇到什么技术故障或预算困难，钱德拉可以再留轨10年。
用于红外观测的SIRTF险些胎死腹中。20世纪90年代NASA的预算被削减时，该项目所需经费却飞涨到了20亿美元。SIRTF的研究组面临一个严峻的挑战：要么将开支减少一半以上，要么就取消计划。为了节约资金，科学家和工程师们重新设计了飞船、望远镜和其他仪器，以使SIRTF可以被比航天飞机便宜得多的德尔他火箭发射升空。牺牲了几项科研性能后，SIRTF从“预算吞噬者”变成了一个开支相对较低（7.2亿美元）的项目。它将为下一代红外空间望远镜，如接替哈勃的James Webb空间望远镜铺平道路。
红外线的优势
就在你阅读这段文字的时候，你温暖的身体正以100瓦特的功率向外辐射能量。这种“亮度”大部分以红外线——也就是波长10微米电磁波——的形式放出。假设你的体温是现在的10倍，那么蒸汽笼罩之下的你将以更短（大约1微米）的波长放出能量。在人类的眼中，你发出的是暗淡的红光。相反，如果你的体温只有正常值的十分之一，你被冻僵的身体辐射出的电磁波能量更少，波长更长——约100微米，与头发丝直径类似。而波长几微米到几百微米的电磁波正是供SIRTF施展才能的天地。

2微米巡天计划（Two Micron All Sky Survey, 2MASS）获得的银河系全景图。该图记录下了1亿颗恒星，右下方的斑点是大麦哲伦云。红外线的天空正是SIRTF的舞台。
1800年，威廉•赫歇尔首先发现了红外线。他使日光通过三棱镜发生色散后发现，红光区以外的部分像熟悉的红、黄、蓝光一样，能明显使温度计升温。但是，直到20世纪60年代，低温检波器出现后，红外天文才真正走向成熟。降温是必需的，因为室温下的检波器本身会辐射大量的能量，这足以湮没来自宇宙的微弱信号。最初的致冷剂是干冰（-78.5°C），之后是液氮（-196°C），现在则一般采用液氦（-269°C，即4K）。随着冷却技术的发展，天文学家可以建造高灵敏度的检波器，以探察从太阳系中的彗星到宇宙边缘的星系所发出的微弱红外信号。
但是，由于水蒸气和二氧化碳的吸收作用，地球大气层对红外波段的相当一部分是不透明的。直到现在，地面观测只能在1.25、1.65、2.20和3.45微米这几个近红外“窗口”进行，因此大受限制。SIRTF能够在波长3微米以上的红外波段工作，从而拓展了红外观测的范围。
天文学家们利用中红外线（波长5至25微米）探索星系内外的星际尘埃。发出中红外光的尘粒大约有香烟的烟雾那么小。人们认为它们的主要成分是硅，并夹杂有少量被冰覆盖的石墨粒。它们也是阻碍人类对银心进行可见光观测的罪魁祸首。但在中红外波段，阻碍作用明显减小了。在浓密的尘埃后面，天文学家发现了埋藏于气体云中的原恒星，还有隐藏在富含气体、尘埃的星系中的无数星体。
象多环芳香烃（PAHs）这样的有机分子也辐射着明亮的中红外光。人们知道，这些以苯环为基础的复杂分子在高温、强辐射的条件下是很稳定的。20世纪90年代，欧洲空间局红外空间天文台（Infrared Space Telescope, ISO）的观测结果显示，PAHs在星际空间几乎无所不在。电离氢（HII）区域——如猎户座大星云（M42）和像天琴座环状星云（M57）这样的行星状星云——是PAHs的中红外辐射集中之处。SIRTF将更清晰地观察这些能快速产生有机分子的星云温床。

分别用红外光（左）和可见光（右）拍摄的著名星云——天琴座环状星云的照片。从这个例子中我们可以看到多波段研究的优势：在2微米红外线照片中，蓝色的中央星几乎不可见；但隐藏在尘埃云后面的星体比在哈勃拍摄的可见光图象中所见清晰多了。
远红外（波长25至几百微米）的天空被星际空间寒冷的尘埃云支配。80年代红外天文卫星（Infrared Astronomical Satellite, IRAS）发现，这种尘埃云遍布宇宙。和大多数产星星系一样，我们的银河系中也弥漫着辐射远红外线的尘埃。实际上，一些星系的远红外辐射占据了其能量的大部分。这些“超高亮度红外星系（Ultraluminous infrared galaxies, ULIRGs）”属于宇宙中能量最强的天体。人们认为在这些被尘埃覆盖的星系中，恒星正狂暴地形成着。在某些ULIRCs的中心，可能隐藏有吞噬着周围恒星和星云物质的超大质量黑洞。由于ULIRCs是如此活跃，它们可以在很远处被发现。SIRTF可望在远至140亿光年的范围内勘察ULIRGs。这样做可以为我们在整个宇宙时间范围内研究这些极端活跃的星系提供线索。
创造力
SIRTF是新技术和新颖设计的集合。也许最值得一提的是它那独特的轨道。发射后，航天器将逐渐远离地球，并在月球以外的环日轨道上运行，像忠实的狗一般追随我们的行星。在如此远的地方，地球的热量将不会影响望远镜的工作。尽管SIRTF的主镜只有0.85米，但由于自身的低温和距离地球的遥远，它在波长3微米或更长的红外波段上的表现会胜过所有的地面红外望远镜（哪怕是口径8米或10米的庞然大物）。在3.6微米波长上，SIRTF能够辨认出暗至20等的天体——这相当于从45000公里外看一根燃着的火柴。
航天器的一个侧面将永远朝向太阳，太阳能电池板将阳光转化成427瓦特电力——这大约与两台台式计算机相当。卫星的对侧被漆成了黑色，以便有效地辐射掉电池板和其他部分产生的热量。其内部的望远镜被冷却到微不足道的5.5K——与宇宙空间接近。氦蒸汽盛放在光学系统后面的低温保持器中。这样做能使SIRTF用较少的致冷剂——只有1995年发射的ISO所用的1/6——工作5年，而ISO仅仅工作了28个月。
望远镜的铍制主镜焦比很小，只有1.2，但整个光路采用的却是焦比12的Ritchey-Chrétien式设计（译注：指一种由两块反射镜组成的望远镜结构，成像在主镜后面，其主、副镜形状接近旋转双曲面，可有效消除像差），以便在32弧分的视场内尽量减小球差和彗差。紧凑的光学结构使望远镜在6.5微米波长上达到了1.5弧分的角分辨率。这样高的灵敏度足以分辨银河系中众多的褐矮星和恒星形成区，并能对120亿光年内的星系进行完整的统计调查——这也正是SIRTF的主要使命。
SIRTF的眼睛
望远镜因它所具有的设备才显出强大的力量，而SIRTF拥有3架有史以来最先进的红外照相机和光谱仪。它们被再三设计，以减少活动部件，从而减少在太空中可能发生的问题。与哈勃不同，宇航员不能搭乘航天飞机去维修SIRTF。所以，每件事必须一次成功。
右图：Ball公司的技术人员在SIRTF的主镜旁工作。望远镜的主镜是由轻质铍金属制成的。
红外照相机阵（Infrared Array Camera, IRAC）是用于近红外和中红外成像的主要设备。它可以同时在3.6、4.5、5.8和8.0微米波段拍摄照片。IRAC的每个检波器能够覆盖5.1×5.1弧秒的天区。拼接则使拍摄大范围的图象成为可能。来自哈佛—史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的Giovanni G. Fazio是IRAC小组的负责人；这架仪器则是在NASA的戈达德太空飞行中心（NASA's Goddard Space Flight Center）建造的。
SIRTF多波段成像光度计（Multiband Imaging Photometer for SIRTF, MIPS）作为IRAC的补充，将在24、70、160微米波长上进行光度巡天和高分辨率成像。当衍射光栅被安置在主光路上时，MIPS能在50至100微米间的多个波段上记录红外源，因而能提供关于空间和光谱的信息。亚利桑那大学的George Rieke领导着MIPS小组；仪器本身由Ball航空航天技术公司（Ball Aerospace & Technologies Corporation）制造。
红外摄谱仪（Infrared Spectrograph, IRS）使SIRTF达到了它那超高光谱分辨率。这架仪器使入射光线分解成波长5.3至40微米的光谱。阶梯光栅能分辨出小到0.01微米的细节。如此清晰的光谱可被用来识别分子氢、水、二氧化碳以及各种有机分子产生的发射线和吸收线。IRS能够确认原行星盘、恒星喷出物、恒星形成区、星系和星际气体的化学组成。IRS小组由康奈尔大学的James R. Houck统领；与--MIPS一样，这架仪器也是Ball航空航天技术公司制造的（实际上，为了减小开支和重量，这两架仪器甚至共用了一些控制元件）。

Ball公司的技术人员在SIRTF的主镜旁工作。望远镜的主镜是由轻质铍金属制成的。
IRAC、MIPS、IRS和望远镜、冷却系统以及其他电子元件已于2001年6月在位于科罗拉多州Boulder的Ball航空航天技术公司组装完毕。这是研制仪器的科学家们最后一次看到望远镜内部结构，并做最终调整的机会。低温望远镜于2001年11月在加州Sunnyvale的洛克希德—马丁公司被安装在航天器上。那以后，SIRTF羽翼已丰，并不断接受各种测试——事实证明，它与设计要求符合得很好。
去年11月，SIRTF运抵肯尼迪航天中心。2003年1月，它被安装到了德尔他7920H火箭的顶部，以期4月中旬从卡那维拉尔角发射（译注：NASA已将其发射日期推迟至8月，以更换助推火箭引擎）。入轨后，经过3个月的检查，科学研究将开始进行。
发射升空后，SIRTF将由NASA的喷气推进实验室（NASA's Jet Propulsion Laboratory, JPL）和SIRTF科学中心（SIRTF Science Center, SSC）（二者都位于加州Pasadena）共同管理。JPL将承担大部分控制工作，而SSC则负责联系空间望远镜和科研机构。通过这样的安排，观测计划将被协调，指令将传达给望远镜，观测数据经过处理后会分发给世界各国的天文学家。
期待意外
20世纪80年代早期，IRAS卫星以几弧秒的分辨率（与人眼相近）巡视了整个天空。这次巡天使天文学家们发现了一种新的星系——ULIRGs，以及大批的掠日彗星、近地小行星，还有环绕在恒星（如织女星）周围的尘埃盘。虽然SIRTF并没有象IRAS那样被设计用于巡天，但它却有1000倍于IRAS的灵敏度和200倍于之的分辨率。因而，它也就有了发现大量未知天体——包括距离很近的和很远的——的潜力。
20世纪90年代早期，宇宙背景探测器（Cosmic Background Explorer, COBE）在红外、亚毫米波、毫米波和微波波段上进行了高灵敏度的巡天。这架飞船因得出了高精度的宇宙微波背景辐射图而名扬天下。但COBE 同样发现了神秘的红外背景辐射。后来ISO的观测结果将这种背景辐射分解成数个特性未知的红外源。通过利用超高的分辨率和灵敏度仔细观测弥散的红外背景辐射，SIRTF有望最终确定其起源。
在寒冷的行星际、恒星际，乃至星系际还隐匿着什么热天体呢？也许SIRTF会发现星系间弥漫着散发暗弱红外光的奇异暗物质。也许会有更多关于银河系中有机分子的迹象显露出来。也许太阳系的外缘会为我们所认识。SIRTF被赋予了作出意外发现的能力，也许它最具革命性的成果会远远超出天文学家和建造它的工程师们的想象。