斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡工作原理

"斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡"是第一臺(tái)與地球同步運(yùn)行的太空望遠(yuǎn)鏡，它計(jì)劃在太空中服務(wù)5年，但NASA希望它的工作壽命能夠延長(zhǎng)。

它的軌道也非常獨(dú)特，是躲在地球的后面，與地球保持同樣的角速度繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。這個(gè)軌道可使望遠(yuǎn)鏡免受太陽(yáng)的直接照射，等于給望遠(yuǎn)鏡提供了一個(gè)天然的冷卻源，這樣就可以少帶一些液氦，不僅減輕了望遠(yuǎn)鏡自身的重量，同時(shí)也節(jié)省了資金。

雖然斯皮策與哈勃都是太空望遠(yuǎn)鏡，但是哈勃以光學(xué)觀測(cè)為主，而斯皮策則以觀測(cè)天體紅外波段為主。所謂紅外，說(shuō)的是望遠(yuǎn)鏡能夠探測(cè)到目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射。斯皮策的紅外探測(cè)靈敏度極高，波長(zhǎng)在3微米至180微米之間的紅外輻射都能盡收"眼"底。而這個(gè)波段因其范圍內(nèi)的輻射抵達(dá)地面時(shí)會(huì)被地球大氣層阻擋，一向是地面望遠(yuǎn)鏡的"盲區(qū)"。因此斯皮策能探測(cè)到宇宙中那些難以感知到的天體，比如一些暗淡的小型恒星。與光學(xué)天文觀測(cè)設(shè)備相比，斯皮策的紅外之"眼"能夠穿透塵埃、氣體，看到其背后隱藏的無(wú)限奧秘。

斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡總長(zhǎng)約4.45米，重量為950千克，主鏡口徑為85厘米，用鈹制作。除此之外還有3臺(tái)觀測(cè)儀器，分別為:

1、紅外陣列相機(jī)(IRAC)，大小為256×256像素，工作在3.6、4.5、5.8和8微米4個(gè)波段。

2、紅外攝譜儀(IRS)，由4個(gè)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)和19-37微米(高分辨率)。

3、多波段成像光度計(jì)(MIPS)，工作在遠(yuǎn)紅外波段，由3個(gè)探測(cè)器陣列組成，大小分別為128×128像素(24微米)、32×32像素(70微米)和2×20像素(160微米)。

4、為避免望遠(yuǎn)鏡本身發(fā)出的紅外線干擾，主鏡溫度冷卻到了5.5K。望遠(yuǎn)鏡本身還裝有一個(gè)保護(hù)罩，為的是避免太陽(yáng)和地球發(fā)出的紅外線干擾。

5、銀盤(pán)上充滿了大量的塵埃和氣體，阻擋了可見(jiàn)光，因此在地球上無(wú)法直接用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到銀河系中心附近的區(qū)域。紅外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，能夠穿透密集的塵埃，因此紅外觀測(cè)能夠幫助人們了解銀河系的核心、恒星形成，以及太陽(yáng)系外行星系統(tǒng)。

由于采用了大型紅外探測(cè)器陣列技術(shù)，這個(gè)價(jià)值約12億美元的太空紅外望遠(yuǎn)鏡可以將觀測(cè)范圍擴(kuò)展上百萬(wàn)倍，甚至能夠穿越氣團(tuán)和塵埃去分析恒星的誕生和死亡，幫助科學(xué)家揭開(kāi)未知天體的神秘面紗，推算了解宇宙早期的模樣。

第一，尋找太陽(yáng)系之外的行星。這是天文學(xué)家多年以來(lái)持之以恒的一個(gè)努力方向。在可見(jiàn)光波段很難發(fā)現(xiàn)它們，因?yàn)樾行堑墓饷?huì)被恒星的光芒淹沒(méi)。而在紅外波段，恒星與行星的光譜特征具有明顯的區(qū)別，所以在紅外波段就可能比較容易發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系以外其他恒星周?chē)男行恰?/p>

第二，探索行星是怎樣形成的。按照目前流行的理論，行星是在恒星周?chē)膲m埃盤(pán)中形成的。通過(guò)觀察不同演化階段的塵埃盤(pán)，得出有關(guān)行星形成的過(guò)程。這項(xiàng)工作在可見(jiàn)光波段也很難完成，因?yàn)閴m埃的遮擋使我們看不清那里發(fā)生了什么事情。紅外觀測(cè)則能夠穿透塵埃的阻擋，揭示出那里面的奧秘。

第三，研究陌生的河外星系。在"斯皮策"升空之前，歐洲的"紅外天文衛(wèi)星"發(fā)現(xiàn)一些在紅外波段輻射很強(qiáng)而可見(jiàn)光輻射卻很弱的河外星系，這些星系大多數(shù)都是正在合并或者正在發(fā)生相互作用的星系。還有一些星系具有一個(gè)能夠釋放巨大能量的星系核，叫做活動(dòng)星系。人類(lèi)對(duì)于具有強(qiáng)烈紅外輻射的星系和活動(dòng)星系都還了解得比較少，"斯皮策"的第三項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)就是大力開(kāi)展對(duì)這些陌生星系的觀測(cè)和研究，以便更深入地了解它們。

第四，觀測(cè)遙遠(yuǎn)星系，揭示早期宇宙圖景。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡曾經(jīng)拍攝到130億光年之遙的宇宙深空，那里密密麻麻分布著很多星系。遠(yuǎn)在130億光年之遙的光需要130億年的時(shí)間才能到達(dá)我們這里，所以我們看到的應(yīng)該是130億年以前宇宙的圖景。"哈勃"的觀測(cè)集中在可見(jiàn)光和紫外波段，"斯皮策"的觀測(cè)集中在紅外波段，兩者的結(jié)合將得到更加完美的觀測(cè)成果。

2009年8月，美國(guó)宇航局太空網(wǎng)稱天文學(xué)家利用斯皮策望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)兩顆圍繞一顆年輕恒星運(yùn)行的行星，他們?cè)跀?shù)千年前發(fā)生過(guò)相撞。

2010年3月，由樊曉輝(XiaohuiFan)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)最小的類(lèi)星體，分別是J0005-0006類(lèi)星體和J0303-0019類(lèi)星體，距離地球130億光年。美國(guó)宇航局的錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)也觀測(cè)到了其中一個(gè)類(lèi)星體發(fā)射出的X射線。當(dāng)圍繞在類(lèi)星體周?chē)臍怏w被吞噬時(shí)，類(lèi)星體會(huì)發(fā)射出X射線、紫外線和可見(jiàn)光。

研究人員觀測(cè)到類(lèi)星體中塵埃的數(shù)量和黑洞質(zhì)量一起都在增加。研究人員發(fā)現(xiàn)J0005-0006類(lèi)星體和J0303-0019類(lèi)星體中心黑洞的質(zhì)量最小，表明這兩個(gè)類(lèi)星體還非常年輕，在這一時(shí)期，它們周?chē)€沒(méi)有塵埃產(chǎn)生。

北京時(shí)間2012年10月8日，據(jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道，天文學(xué)家們最近給出了有關(guān)宇宙膨脹速度迄今最為精確的測(cè)量值。一個(gè)科學(xué)家小組使用美國(guó)宇航局斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的最新測(cè)量顯示，宇宙的膨脹速度約為46英里(74公里)每秒·每百萬(wàn)秒差距(更精確的數(shù)值為:74.3±2.1(km/s)/Mpc)。

錢(qián)德拉望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)航宇局NASA"大天文臺(tái)"系列空間天文觀測(cè)衛(wèi)星中的第三顆。該系列共由4顆衛(wèi)星組成，其中康普頓(Compton)伽馬射線觀測(cè)臺(tái)和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(HST)已分別在1990和1991年發(fā)射升空，另一顆衛(wèi)星稱為太空紅外望遠(yuǎn)鏡設(shè)施(SIRTF)，也就是斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡，于2003年發(fā)射成功。

在軌道上運(yùn)行的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)可見(jiàn)光，而在另一軌道上的"錢(qián)德拉"則捕捉X射線。錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡是為了觀察來(lái)自宇宙最熱的區(qū)域的X射線而設(shè)計(jì)的。與可見(jiàn)光的光子相比，X射線更具能量，而且就像子彈一樣能夠穿透光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所使用的拋物面鏡。但是當(dāng)它掠過(guò)鏡子表面的時(shí)候就會(huì)像子彈一樣改變方向。為此，錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡有4副鏡子(4個(gè)拋物面鏡，4個(gè)雙曲面鏡)，這些鏡子像"漏斗"一樣把X光集中到高性質(zhì)照相機(jī)內(nèi)。鏡子的制作精度達(dá)到了空前的高度:光學(xué)系統(tǒng)的兩端間的距離是2.7米，誤差為1.3×10-6米(一根頭發(fā)絲的1/5)。錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡上面的儀器在測(cè)量X射線的能量的同時(shí)還能夠擔(dān)出高清晰度的照片。另外，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的精度也非常高，能夠瞄準(zhǔn)1公里以外的雞蛋大小的物體，誤差為3毫米。

錢(qián)德拉望遠(yuǎn)鏡的造價(jià)高達(dá)15.5億美元之巨，加上航天飛機(jī)發(fā)射和在軌運(yùn)行費(fèi)用，項(xiàng)目總成本高達(dá)28億美元。它是迄今為止人類(lèi)建造的最為先進(jìn)、也最為復(fù)雜的太空望遠(yuǎn)鏡，被譽(yù)為"X射線領(lǐng)域內(nèi)的哈勃"。

在此之前，人類(lèi)曾發(fā)射過(guò)小一些的X射線望遠(yuǎn)鏡。與它們相比，錢(qián)德拉的靈敏度要高出20~50倍。除分辨率高外，它還具有集光能力強(qiáng)和成像的能量范圍廣等特點(diǎn)，并能精確地把光譜分解成不同的能量成分。它所獲得的高能X射線數(shù)據(jù)將彌補(bǔ)康普頓和哈勃兩顆天文觀測(cè)衛(wèi)星在電磁頻譜的其它區(qū)域中獲得的數(shù)據(jù)，加深人類(lèi)對(duì)黑洞、碰撞星系和超新星遺跡的了解。