 William H. WallerMelipal譯自Sky and Telescope, Vol.105, No.2 (2003)  NASA的最后一座大天文臺正準備去革新人類對宇宙認識——就象它的姊妹那樣 經過25年的孕育，NASA的空間紅外望遠鏡（Space Infrared Telescope Facility, SIRTF）整裝待發(fā)，即將踏上它那極具創(chuàng)新色彩的宇宙探測征途。這座自動天文臺能夠窺測其他望遠鏡不曾看到的地方，并將以前所未有的高分辨率去巡視紅外天空。 任何溫度高于幾開爾文的天體都可能成為SIRTF的觀測目標。在這架望遠鏡的待測天體清單上，與恒星不很相象的褐矮星、恒星形成區(qū)中被塵埃遮蓋的早期行星系、含有不發(fā)光塵埃和有機分子的大質量氣體云，以及能追溯到宇宙誕生早期的原星系占據了很重要的地位。誰又清楚有多少種未知天體躲避了400年的望遠鏡觀測呢？
最后一座大天文臺 SIRTF標志著NASA的大天文臺(Great Observatory)計劃達到了頂峰。大天文臺包括四架獨立建造的太空望遠鏡，用以研究天文學幾個最基本的問題：宇宙、星系，還有太陽系是如何起源的？它們又將如何終結？每座大天文臺在電磁波譜的不同波段工作，按照最初的設想，它們將同時在軌觀測。 1990年4月，發(fā)現(xiàn)號航天飛機將貨物艙中搭載的哈勃太空望遠鏡送入軌道，標志著第一座大天文臺正式登場。經歷了一段曲折的開端后，10年來哈勃對可見光和紫外天文學作出的重大貢獻已使科學家們和社會公眾欣喜。
康普頓伽瑪射線天文臺于1991年4月由亞特蘭蒂斯號航天飛機攜帶升空。在將近10年的觀測中，它揭示了伽瑪射線暴、脈沖星、黑洞的秘密。之后，飛船上的一個陀螺儀失靈了。如果第二個陀螺儀再失靈，這顆17噸重的衛(wèi)星將徹底失控。為了避免衛(wèi)星在大氣層中燃燒后的殘片到處撒落，NASA已在2000年6月讓康普頓重返地球，落入太平洋。 1999年，該計劃的第三架望遠鏡，錢德拉X射線天文臺由哥倫比亞號航天飛機發(fā)射，并被助推火箭送入更高的軌道。從那時起，它利用其超高分辨率，送回了關于黑洞周圍X射線環(huán)境、類星體，甚至是行星、彗星這樣的近距離天體的珍貴信息。與哈勃類似，除非遇到什么技術故障或預算困難，錢德拉可以再留軌10年。 用于紅外觀測的SIRTF險些胎死腹中。20世紀90年代NASA的預算被削減時，該項目所需經費卻飛漲到了20億美元。SIRTF的研究組面臨一個嚴峻的挑戰(zhàn)：要么將開支減少一半以上，要么就取消計劃。為了節(jié)約資金，科學家和工程師們重新設計了飛船、望遠鏡和其他儀器，以使SIRTF可以被比航天飛機便宜得多的德爾他火箭發(fā)射升空。犧牲了幾項科研性能后，SIRTF從“預算吞噬者”變成了一個開支相對較低（7.2億美元）的項目。它將為下一代紅外空間望遠鏡，如接替哈勃的James Webb空間望遠鏡鋪平道路。 紅外線的優(yōu)勢 就在你閱讀這段文字的時候，你溫暖的身體正以100瓦特的功率向外輻射能量。這種“亮度”大部分以紅外線——也就是波長10微米電磁波——的形式放出。假設你的體溫是現(xiàn)在的10倍，那么蒸汽籠罩之下的你將以更短（大約1微米）的波長放出能量。在人類的眼中，你發(fā)出的是暗淡的紅光。相反，如果你的體溫只有正常值的十分之一，你被凍僵的身體輻射出的電磁波能量更少，波長更長——約100微米，與頭發(fā)絲直徑類似。而波長幾微米到幾百微米的電磁波正是供SIRTF施展才能的天地。
1800年，威廉•赫歇爾首先發(fā)現(xiàn)了紅外線。他使日光通過三棱鏡發(fā)生色散后發(fā)現(xiàn)，紅光區(qū)以外的部分像熟悉的紅、黃、藍光一樣，能明顯使溫度計升溫。但是，直到20世紀60年代，低溫檢波器出現(xiàn)后，紅外天文才真正走向成熟。降溫是必需的，因為室溫下的檢波器本身會輻射大量的能量，這足以湮沒來自宇宙的微弱信號。最初的致冷劑是干冰（-78.5°C），之后是液氮（-196°C），現(xiàn)在則一般采用液氦（-269°C，即4K）。隨著冷卻技術的發(fā)展，天文學家可以建造高靈敏度的檢波器，以探察從太陽系中的彗星到宇宙邊緣的星系所發(fā)出的微弱紅外信號。 但是，由于水蒸氣和二氧化碳的吸收作用，地球大氣層對紅外波段的相當一部分是不透明的。直到現(xiàn)在，地面觀測只能在1.25、1.65、2.20和3.45微米這幾個近紅外“窗口”進行，因此大受限制。SIRTF能夠在波長3微米以上的紅外波段工作，從而拓展了紅外觀測的范圍。 天文學家們利用中紅外線（波長5至25微米）探索星系內外的星際塵埃。發(fā)出中紅外光的塵粒大約有香煙的煙霧那么小。人們認為它們的主要成分是硅，并夾雜有少量被冰覆蓋的石墨粒。它們也是阻礙人類對銀心進行可見光觀測的罪魁禍首。但在中紅外波段，阻礙作用明顯減小了。在濃密的塵埃后面，天文學家發(fā)現(xiàn)了埋藏于氣體云中的原恒星，還有隱藏在富含氣體、塵埃的星系中的無數(shù)星體。 象多環(huán)芳香烴（PAHs）這樣的有機分子也輻射著明亮的中紅外光。人們知道，這些以苯環(huán)為基礎的復雜分子在高溫、強輻射的條件下是很穩(wěn)定的。20世紀90年代，歐洲空間局紅外空間天文臺（Infrared Space Telescope, ISO）的觀測結果顯示，PAHs在星際空間幾乎無所不在。電離氫（HII）區(qū)域——如獵戶座大星云（M42）和像天琴座環(huán)狀星云（M57）這樣的行星狀星云——是PAHs的中紅外輻射集中之處。SIRTF將更清晰地觀察這些能快速產生有機分子的星云溫床。
遠紅外（波長25至幾百微米）的天空被星際空間寒冷的塵埃云支配。80年代紅外天文衛(wèi)星（Infrared Astronomical Satellite, IRAS）發(fā)現(xiàn)，這種塵埃云遍布宇宙。和大多數(shù)產星星系一樣，我們的銀河系中也彌漫著輻射遠紅外線的塵埃。實際上，一些星系的遠紅外輻射占據了其能量的大部分。這些“超高亮度紅外星系（Ultraluminous infrared galaxies, ULIRGs）”屬于宇宙中能量最強的天體。人們認為在這些被塵埃覆蓋的星系中，恒星正狂暴地形成著。在某些ULIRCs的中心，可能隱藏有吞噬著周圍恒星和星云物質的超大質量黑洞。由于ULIRCs是如此活躍，它們可以在很遠處被發(fā)現(xiàn)。SIRTF可望在遠至140億光年的范圍內勘察ULIRGs。這樣做可以為我們在整個宇宙時間范圍內研究這些極端活躍的星系提供線索。 創(chuàng)造力 SIRTF是新技術和新穎設計的集合。也許最值得一提的是它那獨特的軌道。發(fā)射后，航天器將逐漸遠離地球，并在月球以外的環(huán)日軌道上運行，像忠實的狗一般追隨我們的行星。在如此遠的地方，地球的熱量將不會影響望遠鏡的工作。盡管SIRTF的主鏡只有0.85米，但由于自身的低溫和距離地球的遙遠，它在波長3微米或更長的紅外波段上的表現(xiàn)會勝過所有的地面紅外望遠鏡（哪怕是口徑8米或10米的龐然大物）。在3.6微米波長上，SIRTF能夠辨認出暗至20等的天體——這相當于從45000公里外看一根燃著的火柴。 航天器的一個側面將永遠朝向太陽，太陽能電池板將陽光轉化成427瓦特電力——這大約與兩臺臺式計算機相當。衛(wèi)星的對側被漆成了黑色，以便有效地輻射掉電池板和其他部分產生的熱量。其內部的望遠鏡被冷卻到微不足道的5.5K——與宇宙空間接近。氦蒸汽盛放在光學系統(tǒng)后面的低溫保持器中。這樣做能使SIRTF用較少的致冷劑——只有1995年發(fā)射的ISO所用的1/6——工作5年，而ISO僅僅工作了28個月。 望遠鏡的鈹制主鏡焦比很小，只有1.2，但整個光路采用的卻是焦比12的Ritchey-Chrétien式設計（譯注：指一種由兩塊反射鏡組成的望遠鏡結構，成像在主鏡后面，其主、副鏡形狀接近旋轉雙曲面，可有效消除像差），以便在32弧分的視場內盡量減小球差和彗差。緊湊的光學結構使望遠鏡在6.5微米波長上達到了1.5弧分的角分辨率。這樣高的靈敏度足以分辨銀河系中眾多的褐矮星和恒星形成區(qū)，并能對120億光年內的星系進行完整的統(tǒng)計調查——這也正是SIRTF的主要使命。 SIRTF的眼睛 望遠鏡因它所具有的設備才顯出強大的力量，而SIRTF擁有3架有史以來最先進的紅外照相機和光譜儀。它們被再三設計，以減少活動部件，從而減少在太空中可能發(fā)生的問題。與哈勃不同，宇航員不能搭乘航天飛機去維修SIRTF。所以，每件事必須一次成功。 右圖：Ball公司的技術人員在SIRTF的主鏡旁工作。望遠鏡的主鏡是由輕質鈹金屬制成的。 紅外照相機陣（Infrared Array Camera, IRAC）是用于近紅外和中紅外成像的主要設備。它可以同時在3.6、4.5、5.8和8.0微米波段拍攝照片。IRAC的每個檢波器能夠覆蓋5.1×5.1弧秒的天區(qū)。拼接則使拍攝大范圍的圖象成為可能。來自哈佛—史密松天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的Giovanni G. Fazio是IRAC小組的負責人；這架儀器則是在NASA的戈達德太空飛行中心（NASA's Goddard Space Flight Center）建造的。 SIRTF多波段成像光度計（Multiband Imaging Photometer for SIRTF, MIPS）作為IRAC的補充，將在24、70、160微米波長上進行光度巡天和高分辨率成像。當衍射光柵被安置在主光路上時，MIPS能在50至100微米間的多個波段上記錄紅外源，因而能提供關于空間和光譜的信息。亞利桑那大學的George Rieke領導著MIPS小組；儀器本身由Ball航空航天技術公司（Ball Aerospace & Technologies Corporation）制造。 紅外攝譜儀（Infrared Spectrograph, IRS）使SIRTF達到了它那超高光譜分辨率。這架儀器使入射光線分解成波長5.3至40微米的光譜。階梯光柵能分辨出小到0.01微米的細節(jié)。如此清晰的光譜可被用來識別分子氫、水、二氧化碳以及各種有機分子產生的發(fā)射線和吸收線。IRS能夠確認原行星盤、恒星噴出物、恒星形成區(qū)、星系和星際氣體的化學組成。IRS小組由康奈爾大學的James R. Houck統(tǒng)領；與--MIPS一樣，這架儀器也是Ball航空航天技術公司制造的（實際上，為了減小開支和重量，這兩架儀器甚至共用了一些控制元件）。
IRAC、MIPS、IRS和望遠鏡、冷卻系統(tǒng)以及其他電子元件已于2001年6月在位于科羅拉多州Boulder的Ball航空航天技術公司組裝完畢。這是研制儀器的科學家們最后一次看到望遠鏡內部結構，并做最終調整的機會。低溫望遠鏡于2001年11月在加州Sunnyvale的洛克希德—馬丁公司被安裝在航天器上。那以后，SIRTF羽翼已豐，并不斷接受各種測試——事實證明，它與設計要求符合得很好。 去年11月，SIRTF運抵肯尼迪航天中心。2003年1月，它被安裝到了德爾他7920H火箭的頂部，以期4月中旬從卡那維拉爾角發(fā)射（譯注：NASA已將其發(fā)射日期推遲至8月，以更換助推火箭引擎）。入軌后，經過3個月的檢查，科學研究將開始進行。 發(fā)射升空后，SIRTF將由NASA的噴氣推進實驗室（NASA's Jet Propulsion Laboratory, JPL）和SIRTF科學中心（SIRTF Science Center, SSC）（二者都位于加州Pasadena）共同管理。JPL將承擔大部分控制工作，而SSC則負責聯(lián)系空間望遠鏡和科研機構。通過這樣的安排，觀測計劃將被協(xié)調，指令將傳達給望遠鏡，觀測數(shù)據經過處理后會分發(fā)給世界各國的天文學家。 期待意外 20世紀80年代早期，IRAS衛(wèi)星以幾弧秒的分辨率（與人眼相近）巡視了整個天空。這次巡天使天文學家們發(fā)現(xiàn)了一種新的星系——ULIRGs，以及大批的掠日彗星、近地小行星，還有環(huán)繞在恒星（如織女星）周圍的塵埃盤。雖然SIRTF并沒有象IRAS那樣被設計用于巡天，但它卻有1000倍于IRAS的靈敏度和200倍于之的分辨率。因而，它也就有了發(fā)現(xiàn)大量未知天體——包括距離很近的和很遠的——的潛力。 20世紀90年代早期，宇宙背景探測器（Cosmic Background Explorer, COBE）在紅外、亞毫米波、毫米波和微波波段上進行了高靈敏度的巡天。這架飛船因得出了高精度的宇宙微波背景輻射圖而名揚天下。但COBE 同樣發(fā)現(xiàn)了神秘的紅外背景輻射。后來ISO的觀測結果將這種背景輻射分解成數(shù)個特性未知的紅外源。通過利用超高的分辨率和靈敏度仔細觀測彌散的紅外背景輻射，SIRTF有望最終確定其起源。 在寒冷的行星際、恒星際，乃至星系際還隱匿著什么熱天體呢？也許SIRTF會發(fā)現(xiàn)星系間彌漫著散發(fā)暗弱紅外光的奇異暗物質。也許會有更多關于銀河系中有機分子的跡象顯露出來。也許太陽系的外緣會為我們所認識。SIRTF被賦予了作出意外發(fā)現(xiàn)的能力，也許它最具革命性的成果會遠遠超出天文學家和建造它的工程師們的想象。 |
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