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NASA斯皮策望远镜服役16年后完成使命:最后一张星云图曝光

科技信息 admin 2个月前 (04-20) 49次浏览 已收录 0个评论

在未知迷雾里探索了 16 余年的“行星猎人”,留下了最后一张作品。

当地时间 2020 年 3 月 17 日,美国国家航空航天局(NASA)公布了斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope,SST)在退役前捕获到的最后一张镶嵌图。

NASA斯皮策望远镜服役16年后完成使命:最后一张星云图曝光

作为 NASA 发射的四大太空望远镜之一,斯皮策太空望远镜于 2003 年 8 月 25 日发射,2020 年 1 月 25 日最后拍到了加州星云(California Nebula)图像,最终于 2020 年 1 月 30 日正式退役。

加州星云:最好的致敬

实际上,宇宙中除了行星、彗星以外的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,星云可划分为发光气体云、发射星云、反射星云及暗星云。

其中,「发射星云」(Emission nebula)其实可以简单理解为由星际气体组成的、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内的氢气(HⅡ regions)等,令其发光——星云的颜色取决于具体的化学组成和被游离的量,由于在星际间的气体绝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。如果有更高的能量电离其他元素,那么绿色、蓝色都可能出现。

而斯皮策太空望远镜最后捕获到的「加州星云」便是一种发射星云。

长约 100 光年的加州星云因与美国加州的外观相似而得名,又名 NGC 1499,和太阳一样位于银河系猎户臂内,二者相距 1500 光年。

NASA斯皮策望远镜服役16年后完成使命:最后一张星云图曝光

据此前曾拍摄到的图像(如上图)显示,加州星云带有明显的红色光芒,这是氢原子被电离掉一个电子之后,又再次“失而复得”,从而辐射出来的光。

而在斯皮策太空望远镜拍摄到的加州星云图像中,两侧的红色和蓝色带代表两种不同波长的光,而灰色区域显示了两种波长。

值得一提的是,斯皮策太空望远镜共同隶属于美国宇航局和加州理工学院,主要由加州理工学院斯皮策科学中心管理运营,其数据存档在加州理工学院 IPAC 的红外科学档案馆,因此,其职业生涯中捕获到的最后一张加州星云图,无疑是对其团队的最好致敬。

NASA斯皮策望远镜服役16年后完成使命:最后一张星云图曝光
【斯皮策太空望远镜工程团队】

斯皮策:与众不同的红外天眼

斯皮策太空望远镜,以太空望远镜概念的提出者、可控核聚变设备仿星器(stellarator)发明者、美国天文学家、理论物理学家莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer, Jr.)的名字命名。

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但实际上,莱曼·斯皮策的名字却常常与 NASA 的另一架望远镜哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope,HST)同时出现在大众视野,一生以以空间望远镜为事业的莱曼·斯皮策甚至被称为“哈勃望远镜之父”:

1946 年,莱曼·斯皮策在一篇题为《在地球之外的天文观测优势》的论文中明确提出把望远镜放入太空以消除地球大气层遮蔽效应的建议,这可以说是哈勃空间望远镜观测方案的最初构想。

1962 年,美国国家科学院在一份报告中推荐将空间望远镜做为未来太空计划的一部分,随后在 1965 年,美国建立了一个旨在建造空间望远镜的科学委员会,莱曼·斯皮策被任命为主任委员;

1980 年初,不久后将要发射的空间望远镜被命名为哈勃,以纪念 20 世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温·哈勃;

1990 年 4 月 24 日,哈勃空间望远镜发射。

雷锋网了解到,不断刷新人类对宇宙的认知的,除了大名鼎鼎的哈勃空间望远镜,NASA 发射的斯皮策太空望远镜、康普顿太空望远镜和钱德拉 X 射线太空望远镜也同样功不可没,他们甚至被称为太空望远镜中的“四大天王”。

其中,斯皮策太空望远镜的与众不同,也许从出场方式开始就有所显现:

哈勃太空望远镜:1990 年被发现号航天飞机送上太空;

康普顿太空望远镜:1991 年被亚特兰蒂斯号航天飞机送上太空;

钱德拉 X 射线太空望远镜:1999 年被哥伦比亚号航天飞机送上太空;

斯皮策太空望远镜:原本要搭载升空的哥伦比亚号航天飞机于 2003 年 2 月 1 日在美国得克萨斯州北部上空解体坠毁,7 名宇航员全部遇难,因此于同年 8 月发射的斯皮策太空望远镜并未搭载任何航天飞机。

值得一提的是,其运行轨道非常独特,始终位于地球背面,与地球保持同样的角速度绕太阳旋转。这一巧妙的设计使得该望远镜免受太阳直射,相当于为望远镜提供了一个天然冷却源,从而少携带一些液氦,不仅减轻了自重,也节省了成本。

此外,斯皮策太空望远镜总长约 4.45 米,重量为 950 千克,主镜口径 85 厘米,包括 3 台观测仪器:

红外阵列相机(IRAC),大小为 256 x 256 像素,在 3.6、4.5、5.8、8 微米四个波段工作;

红外摄谱仪(IRS),由 4 个模块组成,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),在远红外波段工作,由 3 个探测器阵列组成,大小分别为 128×128 像素(24 微米)、32×32 像素(70 微米)、2×20 像素(160 微米)。

根据上述配置不难看出,斯皮策空间望远镜的最大特点便是「红外观测」。

实际上,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、褐矮星、红移星系)不能发出可见光、只能发出红外线光谱,只能靠红外天文观测;另一方面,由于星际尘埃、气体等对可见光的阻挡,地球上无法直接观测到银河系中心区域。

斯皮策退役背后

原本计划执行至少 2.5 年主要任务的斯皮策太空望远镜,最终运行时间远远超出了其设计寿命。

NASA斯皮策望远镜服役16年后完成使命:最后一张星云图曝光

由此可见,NASA 宣布斯皮策太空望远镜退役,其实也在情理之中。

据悉,2009 年 5 月 15 日,斯皮策望远镜自带的冷却剂耗尽,远红外波段观测因此停止。这是由于,只有在温度低于零下 268°C(5.5K)时,远红外观测效果才最佳。

面对这一问题,NASA 和加州理工学院团队实际上也无可奈何——斯皮策望远镜处于一个环日轨道上,由地球引力牵引,以每年 0.1 个天文单位(1500 万公里)的速度远离地球,好在其红外阵列相机的 4 个摄像头中还剩 2 个可以准确捕获图像并精准传回。

实际上,NASA 也曾官方回应过斯皮策太空望远镜退役的原因:

斯皮策太空望远镜绕太阳运行的轨道跟地球相似,不过运行速度略慢一些。目前(2019 年 6 月)它在地球后面大约 2.54 亿公里的地方运行,是地球跟月球距离的 600 多倍。这个距离,再加上它的轨道曲线,意味着当望远镜将固定天线指向地球下载数据或接收指令时,它的太阳能电池板就会远离太阳。在这段时间里,望远镜必须依靠太阳能和电池的结合才能运行。也就是说,如果不是因为望远镜和地球之间的距离持续增长,继续运行并不成什么问题。

不过,虽然斯皮策太空望远镜的使命结束了,但它为预计于 2021 年 3 月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测任务打下了坚实的基础。

斯皮策宇宙时代:宏大而又绚丽

相比于哈勃望远镜,斯皮策太空望远镜虽默默无闻,但作为人类送入太空的最大红外望远镜、大型轨道天文台计划的最后一台空间望远镜,的确也是硕果累累。

最后,让我们来欣赏一组「斯皮策时代」那些撼动人心的作品。

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银河系中最大的超新星遗迹之一。

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“宇宙巨眼”螺旋星云。

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第一次直接观测到系外行星。

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探测到了最远的行星,距离地球约 13000 光年。

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距离土星约 600 万千米的土星环。

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首次在一颗濒临死亡的恒星周围,发现了巴基球。

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首次识别了系外行星大气分子成分。

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迄今两个最遥远的超大质量黑洞,距离我们约 130 亿光年。

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