NASA庆祝斯皮策太空望远镜的科学遗产

在这幅NASA斯皮策太空望远镜的艺术渲染图中，背景以红外光显示。
版权：NASA/喷气推进实验室-加州理工学院（JPL-Caltech）

NASA正在庆祝其四大太空望远镜之一，斯皮策太空望远镜留下的科学遗产。在用红外线探索宇宙超过16年后，斯皮策的探测任务将于2020年1月30日结束。

斯皮策于2003年发射升空，它揭示了已知宇宙物天体之前未曾被发现的隐藏特征，并引发了从太阳系的小行星到接近宇宙边缘的遥远星系的一系列新发现和新见解。

NASA总部天体物理学部门主任保罗•赫兹（Paul Hertz）表示：“斯皮策教会我们红外光对于了解宇宙而言是多么重要，无论是在太阳系中，还是在遥远的星系中。未来我们在天体物理学的许多领域取得的进步都将归功于斯皮策的非凡科学遗产。”

斯皮策被设计用来研究“低温天体, 古老天体和尘埃物质” （the cold, the old and the dusty），天文学家在红外线下可以清晰观测到它们。红外光光谱范围从700纳米（肉眼无法看到）到1毫米（大头针头大小）。不同的红外波长可以揭示宇宙的不同特征。例如，斯皮策可以观测到因温度太低而无法发出多少可见光的天体，包括系外行星（太阳系外的行星）、褐矮星和恒星间空间中发现的冷物质。

至于“古老天体”，斯皮策已经对一些迄今为止发现的最遥远星系进行了观测。其中一些星系发出的光经过了数十亿年才到达地球，使科学家们得以看到那些非常古老的天体。事实上，斯皮策和哈勃太空望远镜（该望远镜的观测主要集中在可见光波段和比斯皮策探测的红外波段波长更短的近红外波）共同发现并观测了迄今为止观测到的最遥远星系。我们所看到的这个星系的光是134亿年前发出的，当时宇宙的年龄只有不到现在的5%。

2003年，斯皮策太空望远镜（前身为SIRTF，空间红外望远镜设施）准备在卡纳维拉尔角空军基地发射。
版权：NASA

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除此之外，这两架望远镜发现这些早期星系比科学家们所预期的还要更重。通过观测距离我们相对更近一些的星系，斯皮策加深了我们对星系在整个宇宙历史中是如何形成和演化的理解。

斯皮策还对星际尘埃有着敏锐的观测度，这些尘埃普遍存在于大多数星系中。星际尘埃与大量气体云混合，可以凝结形成恒星，而残留物可以形成行星。通过光谱学技术，斯皮策可以分析尘埃的化学成分以了解行星和恒星的组成成分。

2005年，NASA的“深度撞击”（Deep Impact）号有意撞击坦普尔1号彗星（Comet Tempel 1）之后，斯皮策对扬起的尘埃进行了分析，提供了一份可能存在于早期太阳系的物质清单。另外，斯皮策在土星周围发现了一个以前未被探测到的光环，该光环由稀疏的尘埃粒子组成，反射的可见光微弱而无法被可见光望远镜捕捉到。

这张由NASA斯皮策太空望远镜拍摄的图片突出显示了Messier 81星系壮丽的旋臂。该星系位于大熊座的北部星座，距离地球约1200万光年。
版权：NASA/JPL-Caltech

此外，红外波段可以穿过可见光无法穿透的尘埃，这使得斯皮策能够揭示一些隐藏于可见光视线之外区域的奥秘。

斯皮策项目科学家迈克尔•沃纳（Michael Werner）表示：“斯皮策在其任务期间所做的一切，从探测太阳系中比加长豪华轿车还小的小行星，到研究我们所知的一些最遥远星系，都是相当惊人的。”

斯皮策项目科学家们为了加深他们的科学洞察力，经常将他们的发现与其他望远镜的发现相结合，包括NASA“四大太空望远镜”的另外两台望远镜 – 哈勃太空望远镜和钱德拉X射线天文台。

这幅由NASA斯皮策太空望远镜拍摄的图像显示，成千上万颗恒星密集分布于螺旋状银河系的漩涡中心。在这幅图中，年龄更大、温度较低的恒星用蓝色显示，而用红色显示的是炽热的大质量恒星。
版权：NASA/JPL-Caltech

太阳系外的世界

斯皮策最伟大的一些科学发现，包括那些关于系外行星的发现，都并不是其最初科学目标中的部分。斯皮策项目团队通过“凌日法”（transit method）确认了TRAPPIST-1系统中与地球大小相近的两颗行星的存在。凌日法的原理是如果一颗行星从恒星前方通过时，将可以观察到恒星的视觉亮度会略微下降一些。在这之后，斯皮策在同一系统（TRAPPIST-1）中又发现了与地球大小相近的五颗行星，并提供了有关它们密度的重要信息，这是迄今为止发现的单个恒星周围发现类地行星数量最多的。

斯皮策是第一台能够直接探测系外行星的发出的光的望远镜，同时也是第一台能够直接识别系外行星大气分子的望远镜。（此前的研究已经揭示了系外行星大气中的化学元素。）斯皮策还首次测量了系外行星大气中的温度变化和风。

帕萨迪纳市加州理工学院加州理工红外光影像处理及分析中心（Infrared Processing and Analysis Center，IPAC）斯皮策科学中心的主管肖恩•凯里（Sean Carey）表示：“当斯皮策被设计出来的时候，科学家们还没有发现一颗’凌日’的系外行星，即便到它发射的时候，我们依旧知之甚少。斯皮策成为如此强大的系外行星探测工具而这并非设计者们最初的意图，这一事实意义深远。我们得到的一些观测结果使我们大吃一惊。”

NASA斯皮策太空望远镜拍摄的这幅图中显示，新诞生的恒星正在位于蛇夫座的心宿增四（Rho Ophiuchi）的暗星云中孕育而生，这片区域被天文学家称为“Rho Oph”，距离地球约400光年，是距离太阳系最近的恒星形成区域之一。
版权：NASA/JPL-Caltech

保持低温

斯皮策的一个主要优势是其红外探测灵敏度极高，能够探测到非常微弱的红外辐射。地球是红外辐射的主要来源，若想要观测到来自地表微弱的红外辐射无异于试图在太阳当空时去观察星星。这就是为什么斯皮策的设计者们将其设计成第一台在地球尾随轨道运行的太空望远镜：斯皮策在这个轨道上远离地球散发出的热量，使探测器不必与地球自身的红外辐射相抗衡。

不同的红外波长可以揭示宇宙的不同特征。一些地面望远镜可以观察特定的红外波长，并提供有一些有价值的科学见解，但斯皮策的灵敏度远超大型地面望远镜，能够探测到更微弱的光源，例如非常遥远的星系。更重要的是，它被设计用来探测一些被地球大气完全阻挡的红外波长，并对超出了地面望远镜观测范围的波长进行可视化渲染处理。

什么是红外线？我们如何利用它来研究宇宙？红外辐射（IR），或红外光，是一种人类肉眼看不到的辐射能，但我们可以感受到它的热量。宇宙中的所有天体（无论热还是冷）都会发出一定程度的红外辐射，这使得像NASA斯皮策太空望远镜这样的红外望远镜在探测那些不可见的天体时大有用途。

航天器也能产生红外线热量，所以斯皮策的设计使其保持低温，在零下450华氏度（零下267摄氏度）的低温下运行。2009年，斯皮策耗尽了液态氦冷却剂的供应，标志着其“冷任务”（cold mission）的结束。但是斯皮策与地球的距离很远，这使得它的温度并没有升高太多，其运行温度仍然在零下408华氏度（或零下244摄氏度）左右。斯皮策的“温暖任务”（warm mission）已经持续了十年多，几乎是它所执行的“冷任务”的两倍长。

最初的斯皮策任务计划者并没有预料到它能运行16年以上。这一延长的生命周期带来了斯皮策最深远的科学成果，但同时因为航天器离地球越来越远而带来了挑战。

斯皮策任务主管约瑟夫•亨特（Joseph Hunt）表示：斯皮策在距离地球如此遥远的距离运行并不在我们的计划之内，因此我们不得不年复一年地进行调整，以保证航天器继续运行。但我认为，克服这一挑战让人们对这项任务产生了极大的自豪感。这项使命与大家同在。”

2020年1月30日，工程师们将使斯皮策航天器退役并停止科学运作。NASA在2016年高级审查过程中决定终止斯皮策任务。原本的收尾计划是拟于2018年詹姆斯•韦伯太空望远镜发射（James Webb Space Telescope，该望远镜也将进行红外天文学观测）发射升空之前。但因为詹姆斯•韦伯太空望远镜的发射被推迟，斯皮策任务被批准第五次同时也是最后一次延期。这几次延长任务给了斯皮策更多时间来继续产生变革性的科学成果，包括为詹姆斯•韦伯太空望远镜任务奠定了坚实基础。

JPL为位于华盛顿的NASA科学任务理事会（Science Mission Directorate）管理和执行斯皮策太空望远镜任务。科学运作在加州理工学院IPAC的斯皮策科学中心（Spitzer Science Center）进行。空间操作由总部设在科罗拉多州利特尔顿的洛克希德•马丁太空公司（Lockheed Martin Space）负责。航天器收集的数据存储在加州理工学院IPAC的红外科学档案馆（Infrared Science Archive）。加州理工学院为NASA管理JPL。

欲了解有关斯皮策的更多信息，请戳阅：

https://www.nasa.gov/mission_pages/spitzer/main/index.html

https://go.nasa.gov/SpitzerToolkit

若需阅读关于斯皮策及其科学遗产的更多信息，请戳阅这份简便的工具包。

https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/spitzer/

来源：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-celebrates-the-legacy-of-the-spitzer-space-telescope