找尋宇宙的熱量

William H. WallerMelipal譯自Sky and Telescope, Vol.105, No.2 (2003)

NASA的最後一座大天文台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，即將踏上它那極具創新色彩的宇宙探測征途。這座自動天文台能夠窺測其他望遠鏡不曾看到的地方，並將以前所未有的高解析度去巡視紅外天空。任何溫度高於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，與恆星不很相象的褐矮星、恆星形成區中被塵埃遮蓋的早期行星系、含有不發光塵埃和有機分子的大質量氣體雲，以及能追溯到宇宙誕生早期的原星系佔據了很重要的地位。誰又清楚有多少種未知天體躲避了400年的望遠鏡觀測呢？

Sky and Telescope雜誌的封面，前景即為SIRTF，背景是紅外波段的獵戶座大星雲（M42）。本文為該期的封面文章。最後一座大天文台SIRTF標誌著NASA的大天文台(Great Observatory)計劃達到了頂峰。大天文台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？每座大天文台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，發現號太空梭將貨物艙中搭載的哈勃太空望遠鏡送入軌道，標誌著第一座大天文台正式登場。經歷了一段曲折的開端後，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。

SIRTF結構示意左圖：SIRTF結構示意，底部有高增益天線；藍色的為液氦罐；其上的棕色部分是儀器艙，內有MIPS、IRS和IRAC三架儀器；灰色柱體為望遠鏡；太陽能電池板在側面。它有4米高、865千克重。康普頓伽瑪射線天文台於1991年4月由亞特蘭蒂斯號太空梭攜帶升空。在將近10年的觀測中，它揭示了伽瑪射線暴、脈衝星、黑洞的秘密。之後，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噸重的衛星將徹底失控。為了避免衛星在大氣層中燃燒後的殘片到處撒落，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射線天文台由哥倫比亞號太空梭發射，並被助推火箭送入更高的軌道。從那時起，它利用其超高解析度，送回了關於黑洞周圍X射線環境、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，除非遇到什麼技術故障或預算困難，錢德拉可以再留軌10年。用於紅外觀測的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：要麼將開支減少一半以上，要麼就取消計劃。為了節約資金，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可以被比太空梭便宜得多的德爾他火箭發射升空。犧牲了幾項科研性能後，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。假設你的體溫是現在的10倍，那麼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，與頭髮絲直徑類似。而波長几微米到幾百微米的電磁波正是供SIRTF施展才能的天地。

2微米巡天計劃（Two Micron All Sky Survey, 2MASS）獲得的銀河系全景圖。該圖記錄下了1億顆恆星，右下方的斑點是大麥哲倫雲。紅外線的天空正是SIRTF的舞台。1800年，威廉?赫歇爾首先發現了紅外線。他使日光通過三稜鏡發生色散後發現，紅光區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，低溫檢波器出現後，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。最初的致冷劑是乾冰（-78.5°C），之後是液氮（-196°C），現在則一般採用液氦（-269°C，即4K）。隨著冷卻技術的發展，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出的微弱紅外信號。但是，由於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範圍。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。發出中紅外光的塵粒大約有香煙的煙霧那麼小。人們認為它們的主要成分是硅，並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。在濃密的塵埃後面，天文學家發現了埋藏於氣體雲中的原恆星，還有隱藏在富含氣體、塵埃的星系中的無數星體。象多環芳香烴（PAHs）這樣的有機分子也輻射著明亮的中紅外光。人們知道，這些以苯環為基礎的複雜分子在高溫、強輻射的條件下是很穩定的。20世紀90年代，歐洲空間局紅外空間天文台（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）區域——如獵戶座大星雲（M42）和像天琴座環狀星雲（M57）這樣的行星狀星雲——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雲溫床。

分別用紅外光（左）和可見光（右）拍攝的著名星雲——天琴座環狀星雲的照片。從這個例子中我們可以看到多波段研究的優勢：在2微米紅外線照片中，藍色的中央星幾乎不可見；但隱藏在塵埃雲後面的星體比在哈勃拍攝的可見光圖象中所見清晰多了。遠紅外（波長25至幾百微米）的天空被星際空間寒冷的塵埃雲支配。80年代紅外天文衛星（Infrared Astronomical Satellite, IRAS）發現，這種塵埃雲遍布宇宙。和大多數產星星系一樣，我們的銀河系中也瀰漫著輻射遠紅外線的塵埃。實際上，一些星系的遠紅外輻射佔據了其能量的大部分。這些「超高亮度紅外星系（Ultraluminous infrared galaxies, ULIRGs）」屬於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，恆星正狂暴地形成著。在某些ULIRCs的中心，可能隱藏有吞噬著周圍恆星和星雲物質的超大質量黑洞。由於ULIRCs是如此活躍，它們可以在很遠處被發現。SIRTF可望在遠至140億光年的範圍內勘察ULIRGs。這樣做可以為我們在整個宇宙時間範圍內研究這些極端活躍的星系提供線索。創造力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。發射後，航天器將逐漸遠離地球，並在月球以外的環日軌道上運行，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。儘管SIRTF的主鏡只有0.85米，但由於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——這相當於從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——這大約與兩台台式計算機相當。衛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後面的低溫保持器中。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，但整個光路採用的卻是焦比12的Ritchey-Chrétien式設計（譯註：指一種由兩塊反射鏡組成的望遠鏡結構，成像在主鏡後面，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弧分的角解析度。這樣高的靈敏度足以分辨銀河系中眾多的褐矮星和恆星形成區，並能對120億光年內的星系進行完整的統計調查——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生的問題。與哈勃不同，宇航員不能搭乘太空梭去維修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製成的。紅外照相機陣（Infrared Array Camera, IRAC）是用於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。拼接則使拍攝大範圍的圖象成為可能。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解析度成像。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，因而能提供關於空間和光譜的信息。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）製造。紅外攝譜儀（Infrared Spectrograph, IRS）使SIRTF達到了它那超高光譜解析度。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。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射線和吸收線。IRS能夠確認原行星盤、恆星噴出物、恆星形成區、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統領；與--MIPS一樣，這架儀器也是Ball航空航天技術公司製造的（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）。

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製成的。IRAC、MIPS、IRS和望遠鏡、冷卻系統以及其他電子元件已於2001年6月在位於科羅拉多州Boulder的Ball航空航天技術公司組裝完畢。這是研製儀器的科學家們最後一次看到望遠鏡內部結構，並做最終調整的機會。低溫望遠鏡於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。那以後，SIRTF羽翼已豐，並不斷接受各種測試——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射（譯註：NASA已將其發射日期推遲至8月，以更換助推火箭引擎）。入軌後，經過3個月的檢查，科學研究將開始進行。發射升空後，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）（二者都位於加州Pasadena）共同管理。JPL將承擔大部分控制工作，而SSC則負責聯繫空間望遠鏡和科研機構。通過這樣的安排，觀測計劃將被協調，指令將傳達給望遠鏡，觀測數據經過處理後會分發給世界各國的天文學家。期待意外20世紀80年代早期，IRAS衛星以幾弧秒的解析度（與人眼相近）巡視了整個天空。這次巡天使天文學家們發現了一種新的星系——ULIRGs，以及大批的掠日彗星、近地小行星，還有環繞在恆星（如織女星）周圍的塵埃盤。雖然SIRTF並沒有象IRAS那樣被設計用於巡天，但它卻有1000倍於IRAS的靈敏度和200倍於之的解析度。因而，它也就有了發現大量未知天體——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 同樣發現了神秘的紅外背景輻射。後來ISO的觀測結果將這種背景輻射分解成數個特性未知的紅外源。通過利用超高的解析度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、恆星際，乃至星系際還隱匿著什麼熱天體呢？也許SIRTF會發現星系間瀰漫著散發暗弱紅外光的奇異暗物質。也許會有更多關於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現的能力，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像。
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