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斯皮策望遠鏡服役16餘年後完成使命 最後一張星雲圖曝光



在未知迷霧裡探索了 16 餘年的“行星獵人”,留下了最後一張作品。當地時間 2020 年 3 月 17 日,美國國家航空航天局(NASA)公佈了斯皮策太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope,SST)在退役前捕獲到的最後一張鑲嵌圖。

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作為 NASA 發射的四大太空望遠鏡之一,斯皮策太空望遠鏡於2003 年8 月25 日發射,2020 年1 月25 日最後拍到了加州星雲(California Nebula)圖像,最終於2020 年1 月30 日正式退役。

加州星雲:最好的致敬

實際上,宇宙中除了行星、彗星以外的幾乎所有延展型天體都屬於星雲(Nebula),由氣體和塵埃組成。根據發光性質,星雲可劃分為發光氣體雲、發射星雲、反射星雲及暗星雲。

其中,“發射星雲”(Emission nebula)其實可以簡單理解為由星際氣體組成的、會發光的雲。發射星雲附近的恆星發出的紫外線會電離星雲內的氫氣(HⅡ regions)等,令其發光——星雲的顏色取決於具體的化學組成和被游離的量,由於在星際間的氣體絕大部分都是只要較低能量就能游離的氫,所以不少發射星雲都呈紅色。如果有更高的能量電離其他元素,那麼綠色、藍色都可能出現。

而斯皮策太空望遠鏡最後捕獲到的“加州星雲”便是一種發射星雲。

長約 100 光年的加州星云因與美國加州的外觀相似而得名,又名 NGC 1499,和太陽一樣位於銀河系獵戶臂內,二者相距 1500 光年。

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據此前曾拍攝到的圖像(如上圖)顯示,加州星雲帶有明顯的紅色光芒,這是氫原子被電離掉一個電子之後,又再次“失而復得”,從而輻射出來的光。

而在斯皮策太空望遠鏡拍攝到的加州星雲圖像中,兩側的紅色和藍色帶代表兩種不同波長的光,而灰色區域顯示了兩種波長。

值得一提的是,斯皮策太空望遠鏡共同隸屬於美國宇航局和加州理工學院,主要由加州理工學院斯皮策科學中心管理運營,其數據存檔在加州理工學院IPAC 的紅外科學檔案館,因此,其職業生涯中捕獲到的最後一張加州星雲圖,無疑是對其團隊的最好致敬。

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【斯皮策太空望遠鏡工程團隊】

斯皮策:與眾不同的紅外天眼

斯皮策太空望遠鏡,以太空望遠鏡概念的提出者、可控核聚變設備仿星器(stellarator)發明者、美國天文學家、理論物理學家萊曼·斯皮策(Lyman Spitzer, Jr.)的名字命名。

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但實際上,萊曼·斯皮策的名字卻常常與 NASA 的另一架望遠鏡哈勃空間望遠鏡(Hubble Space Telescope,HST)同時出現在大眾視野,一生以以空間望遠鏡為事業的萊曼·斯皮策甚至被稱為“哈勃望遠鏡之父”:

  • 1946 年,萊曼·斯皮策在一篇題為《在地球之外的天文觀測優勢》的論文中明確提出把望遠鏡放入太空以消除地球大氣層遮蔽效應的建議,這可以說是哈勃空間望遠鏡觀測方案的最初構想。

  • 1962 年,美國國家科學院在一份報告中推薦將空間望遠鏡做為未來太空計劃的一部分,隨後在1965 年,美國建立了一個旨在建造空間望遠鏡的科學委員會,萊曼·斯皮策被任命為主任委員;

  • 1980 年初,不久後將要發射的空間望遠鏡被命名為哈勃,以紀念 20 世紀初期發現宇宙膨脹的天文學家艾德溫·哈勃;

  • 1990 年 4 月 24 日,哈勃空間望遠鏡發射。

不斷刷新人類對宇宙的認知的,除了大名鼎鼎的哈勃空間望遠鏡,NASA 發射的斯皮策太空望遠鏡、康普頓太空望遠鏡和錢德拉X 射線太空望遠鏡也同樣功不可沒,他們甚至被稱為太空望遠鏡中的“四大天王”。

其中,斯皮策太空望遠鏡的與眾不同,也許從出場方式開始就有所顯現:

  • 哈勃太空望遠鏡:1990 年被發現號航天飛機送上太空;

  • 康普頓太空望遠鏡:1991 年被亞特蘭蒂斯號航天飛機送上太空;

  • 錢德拉 X 射線太空望遠鏡:1999 年被哥倫比亞號航天飛機送上太空;

  • 斯皮策太空望遠鏡:原本要搭載升空的哥倫比亞號航天飛機於2003 年2 月1 日在美國得克薩斯州北部上空解體墜毀,7 名宇航員全部遇難,因此於同年8 月發射的斯皮策太空望遠鏡並未搭載任何航天飛機。

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【哥倫比亞號航天飛機】

值得一提的是,其運行軌道非常獨特,始終位於地球背面,與地球保持同樣的角速度繞太陽旋轉。這一巧妙的設計使得該望遠鏡免受太陽直射,相當於為望遠鏡提供了一個天然冷卻源,從而少攜帶一些液氦,不僅減輕了自重,也節省了成本。

此外,斯皮策太空望遠鏡總長約 4.45 米,重量為 950 千克,主鏡口徑 85 厘米,包括 3 台觀測儀器:

  • 紅外陣列相機(IRAC),大小為 256×256 像素,在 3.6、4.5、5.8、8 微米四個波段工作;

  • 紅外攝譜儀(IRS),由4 個模塊組成,分別工作在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);

  • 多波段成像光度計(MIPS),在遠紅外波段工作,由3 個探測器陣列組成,大小分別為128×128 像素(24 微米)、32×32 像素(70 微米)、2×20 像素(160微米)。

根據上述配置不難看出,斯皮策空間望遠鏡的最大特點便是“紅外觀測”。

實際上,向太空發射紅外觀測望遠鏡,對進一步了解銀河系核心、恆星演化、系外行星等意義非凡。

一方面,不少天體(如暗星雲、星際塵埃、褐矮星、紅移星系)不能發出可見光、只能發出紅外線光譜,只能靠紅外天文觀測;另一方面,由於星際塵埃、氣體等對可見光的阻擋,地球上無法直接觀測到銀河系中心區域。

斯皮策退役背後

原本計劃執行至少 2.5 年主要任務的斯皮策太空望遠鏡,最終運行時間遠遠超出了其設計壽命。

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由此可見,NASA 宣布斯皮策太空望遠鏡退役,其實也在情理之中。

據悉,2009 年 5 月 15 日,斯皮策望遠鏡自帶的冷卻劑耗盡,遠紅外波段觀測因此停止。這是由於,只有在溫度低於零下 268°C(5.5K)時,遠紅外觀測效果才最佳。

面對這一問題,NASA 和加州理工學院團隊實際上也無可奈何——斯皮策望遠鏡處於一個環日軌道上,由地球引力牽引,以每年0.1 個天文單位(1500 萬公里)的速度遠離地球,好在其紅外陣列相機的4 個攝像頭中還剩2 個可以準確捕獲圖像並精準傳回。

實際上,NASA 也曾官方回應過斯皮策太空望遠鏡退役的原因:

斯皮策太空望遠鏡繞太陽運行的軌道跟地球相似,不過運行速度略慢一些。目前(2019 年 6 月)它在地球後面大約 2.54 億公里的地方運行,是地球跟月球距離的 600 多倍。這個距離,再加上它的軌道曲線,意味著當望遠鏡將固定天線指向地球下載數據或接收指令時,它的太陽能電池板就會遠離太陽。在這段時間裡,望遠鏡必須依靠太陽能和電池的結合才能運行。也就是說,如果不是因為望遠鏡和地球之間的距離持續增長,繼續運行並不成什麼問題。

不過,雖然斯皮策太空望遠鏡的使命結束了,但它為預計於 2021 年 3 月發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測任務打下了堅實的基礎。

斯皮策宇宙時代:宏大而又絢麗

相比於哈勃望遠鏡,斯皮策太空望遠鏡雖默默無聞,但作為人類送入太空的最大紅外望遠鏡、大型軌道天文台計劃的最後一台空間望遠鏡,的確也是碩果累累。

最後,讓我們來欣賞一組“斯皮策時代”那些撼動人心的作品。

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銀河系中最大的超新星遺蹟之一。

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“宇宙巨眼”螺旋星雲。

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第一次直接觀測到系外行星。

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探測到了最遠的行星,距離地球約 13000 光年。

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距離土星約 600 萬千米的土星環。

最好的致敬! NASA 斯皮策望遠鏡服役 16 餘年後完成使命,最後一張星雲圖曝光

首次在一顆瀕臨死亡的恆星周圍,發現了巴基球。

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首次識別了系外行星大氣分子成分。

最好的致敬! NASA 斯皮策望遠鏡服役 16 餘年後完成使命,最後一張星雲圖曝光

迄今兩個最遙遠的超大質量黑洞,距離我們約 130 億光年。