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NASA 史匹哲望远镜服役 16 余年完成使命,最后一张星云图曝光

2024-11-25 207


在未知迷雾里探索 16 余年的“行星猎人”,留下最后一张作品后退休了。

美国时间 2020 年 3 月 17 日,美国国家航空暨太空总署(NASA)公布史匹哲太空望远镜(Spitzer Space Telescope,SST)退役前撷取的最后一张马赛克照片。

身为 NASA 发射的四大太空望远镜之一,史匹哲太空望远镜于 2003 年 8 月 25 日发射,2020 年 1 月 25 日最后拍到加州星云(California Nebula)影像,于 2020 年 1 月 30 日正式退役。

加州星云:最好的致敬

宇宙除行星、彗星外几乎所有延展型天体都属于星云(Nebula),由气体和尘埃组成。根据发光性质,星云可分为发光气体云、发射星云、反射星云及暗星云。

其中“发射星云”(Emission nebula)可简单理解为由星际气体组成、会发光的云。发射星云附近的恒星发出的紫外线会电离星云的氢气(HⅡ regions)等,造成发光现象──星云的色彩取决于化学组成和游离量,由于星际气体大部分都是只要较低能量就能游离的氢,所以不少发射星云都呈红色。如果有更高能量电离其他元素,那么绿色、蓝色都可能出现。

而史匹哲太空望远镜最后撷取的“加州星云”便是发射星云。

长约 100 光年的加州星云因与美国加州外观相似得名,又名 NGC 1499,和太阳系一样位于银河系猎户座臂上,两者相距 1,500 光年。

据以前拍到的影像显示,加州星云有明显红色光芒,这是氢原子电离掉一个电子后又“失而复得”,进而辐射出来的光。

史匹哲太空望远镜拍到的加州星云影像,两侧红色和蓝色带代表两种不同波长的光,灰色区域显出两种波长。

史匹哲太空望远镜隶属 NASA 和加州理工学院,主要由加州理工学院史匹哲科学中心管理营运,资料存档在加州理工学院 IPAC 的红外科学档案馆,因此它职业生涯撷取的最后一张加州星云图,无疑是对团队的最好致敬。

▲ 史匹哲太空望远镜工程团队。

史匹哲:与众不同的红外线天眼

史匹哲太空望远镜以太空望远镜概念的提出者、可控核聚变装置仿星器(stellarator)发明者、美国天文学家、理论物理学家莱曼‧史匹哲(Lyman Spitzer, Jr.)之名命名。

但莱曼‧史匹哲却常与 NASA 另一架名太空望远镜哈伯(Hubble Space Telescope,HST)同时出现在大众视野,一生以太空望远镜为事业的莱曼‧史匹哲,甚至被称为“哈伯望远镜之父”:

  • 1946 年,莱曼‧史匹哲在题为《地球之外的天文观测优势》论文,明确提出将望远镜放在太空以消除地球大气层遮蔽效应的建议,这可以说是哈伯太空望远镜的最初构想。
  • 1962 年,美国国家科学院报告建议,将太空望远镜当成未来太空计划的一部分,随后 1965 年,美国建立了旨为建造太空望远镜的科学委员会,莱曼‧史匹哲任命为主任委员。
  • 1980 年初,不久后发射的太空望远镜命名为哈伯,以纪念 20 世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温‧哈伯。
  • 1990 年 4 月 24 日,哈伯太空望远镜发射。

不断清除人类对宇宙的认知,除了大名鼎鼎的哈伯太空望远镜,NASA 发射的史匹哲太空望远镜、康普顿太空望远镜和钱卓拉 X 射线太空望远镜也同样功不可没,甚至并称为太空望远镜的“四大天王”。

其中,史匹哲太空望远镜的与众不同,也许从出场方式就可见一斑:

  • 哈伯太空望远镜:1990 年由发现号航天飞机送上太空。
  • 康普顿太空望远镜:1991 年由亚特兰提斯号航天飞机送上太空。
  • 钱卓拉 X 射线太空望远镜:1999 年由哥伦比亚号航天飞机送上太空。
  • 史匹哲太空望远镜:原本负责搭载的哥伦比亚号于 2003 年 2 月 1 日在美国德州北部上空解体坠毁,7 名太空人全部罹难,因此同年 8 月发射的史匹哲太空望远镜并未搭载于任何航天飞机。

▲ 哥伦比亚号第一次出任务。(Source:NASA / Public domain)

史匹哲的运行轨道非常独特,始终位于地球背面,与地球保持同样的角速度绕太阳旋转。这巧妙设计使望远镜免受太阳直射,等于为望远镜提供天然冷却源,可少携带液态氦,不仅减轻负重,也节省成本。

此外,史匹哲太空望远镜总长约 4.45 米,重量为 950 公斤,主镜直径 85 公分,包括 3 台观测仪器:

  • 红外阵列相机(IRAC),256×256 画素,在 3.6、4.5、5.8、8 微米四波段工作。
  • 红外摄谱仪(IRS),由 4 个模组组成,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)、19~37 微米(高分辨率)。
  • 多波段成像光度计(MIPS),在远红外线波段工作,由 3 个探测器阵列组成,大小分别为 128×128 画素(24 微米)、32×32 画素(70 微米)、2×20 画素(160 微米)。

根据规格不难看出,史匹哲空间望远镜的最大特点便是“红外线观测”。

向太空发射红外观测望远镜,对进一步了解银河系核心、恒星演化、系外行星等意义非凡。

一方面,不少天体(如暗星云、星际尘埃、棕矮星、红移星系)无法发出可见光,只能发出红外线光谱,只能靠红外线天文观测;另一方面,由于星际尘埃、气体等会阻挡可见光,地球无法直接观测到银河系中心区域。

史匹哲退役幕后

原本计划执行至少 2.5 年工作的史匹哲太空望远镜,最终执行时间远远超出设计寿命。故 NASA 宣布史匹哲太空望远镜退役,也在情理之中。

2009 年 5 月 15 日,史匹哲望远镜携带的冷却剂耗尽,远红外线波段观测因此停止,这是因只有在温度低于 -268°C(5.5K)时,远红外线观测效果最佳。

NASA 和加州理工学院团队对此也无可奈何──史匹哲望远镜处于环日轨道,由地球引力牵动,以每年 0.1 个天文单位(1,500 万公里)的速度远离地球,好在红外阵列相机的 4 个镜头还剩 2 个能准确撷取影像并传回。

NASA 也曾回应史匹哲太空望远镜退役的原因:

史匹哲太空望远镜绕太阳的轨道跟地球相似,不过速度略慢一些。目前(2019 年 6 月)在地球后约 2.54 亿公里,是地球跟月球距离的 600 多倍。这个距离,再加上轨道曲线,意味着当望远镜将固定天线指向地球下载资料或接收指令时,太阳能电池板就会远离太阳。这段时间里,望远镜必须依靠太阳能和电池结合才能运行。也就是说,如果不是因望远镜和地球的距离一直增加,它也不必退役。

不过,虽然史匹哲太空望远镜的使命结束了,但预计为 2021 年 3 月发射的詹姆斯‧韦伯太空望远镜的观测工作打下坚实的基础。

史匹哲宇宙时代:宏大绚丽

相比哈伯望远镜,史匹哲太空望远镜虽没没无闻,但身为人类送入太空的最大红外线望远镜、大型轨道天文台计划的最后一台太空望远镜,的确硕果累累。

最后,让我们再次欣赏“史匹哲时代”撼动人心的作品。

▲ 银河系最大的超新星遗迹之一。

▲“宇宙巨眼”螺旋星云。

▲ 第一次直接观测到系外行星。

▲ 探测到最远的行星,距离地球约 13,000 光年。

▲ 离土星约 600 万公里的土星环。

▲ 首次在一颗濒临死亡的恒星周围发现富勒烯。

▲ 首次辨识出系外行星大气分子成分。

▲ 迄今两个最遥远的超大质量黑洞,距离我们约 130 亿光年。

  • NASA Spitzer telescope gives us one final, ethereal nebula image
  • California Nebula Stars in Final Mosaic by NASA’s Spitzer
  • How NASA’s Spitzer Has Stayed Alive for So Long
  • 最遥远的太空望远镜15岁了,你却越飞越远
  • 斯皮策太空望远镜运行15年的15幅精彩图片

(本文由 雷锋网 授权转载;图片来源:NASA)

延伸阅读:

  • 曾帮助发现宇宙最古老星系,史匹哲太空望远镜正式结束任务
2020-04-23 07:08:00

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