国外红外天文望远镜发展现状

黄 晨，王建军，高 昕，丁 盛

(1．北京跟踪与通信技术研究所，北京100094;2．装甲兵工程学院控制工程系，北京100072)

1 引言

由于大气对红外辐射的影响，地面红外观测只限制在几个波段范围。为了探寻宇宙起源、星体演变等特性，天文学上发射多颗探测器探测宇宙星体不同波段的辐射。20世纪70年代以来利用高空气球、火箭、飞机和人造卫星携带各种红外探测器展开天文红外探测［1］。80年代美国发射第一颗天文红外卫星(IRAS)并成功观测获取数据，由此开始了空间红外搜索探测序幕，在此之后美国、欧洲、日本相继开展一系列红外巡天计划，覆盖红外多个波段，发射多颗天文红外卫星进行全空域或指定区域进行搜索探测。同时生成了相应的红外星表数据，包括观测波段的辐射强度、位置信息、测光精度、位置精度等信息。美国的红外巡天计划以NASA为主导，同时多家科研机构如喷气动力实验室JPL、空军物理地球实验室AFGL、红外处理分析中心(IPAC)及多所大学如哈佛大学、加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校等参与，代表了当今天文红外领域最先进工程技术水平。欧洲以欧空局ESA为主导，早在1979年根据IRAS卫星提出自己的天文红外望远镜计划，已研制出并成功发射目前最大口径的天文红外望远镜Herschel。同时与美国、日本合作参与多个天文红外巡天计划。日本多年来致力于太空探索，其空间探测任务以日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)为主导。近年来与NASA，ESA合作多个空间试验项目，用新一代的运载火箭M－V，发射多颗宇宙空间探测器。

分析美国国家航空航天局(NASA)、欧洲太空局(ESA)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)主导的多个典型红外巡天任务的情况特点及其红外天文望远镜光学结构特性、红外探测器件的性能以及红外巡天计划生成的星表数据。其中IRAS，WISE，2MASS，AKARI四个为全空域巡天，其生成的多个红外星表数据在多个领域使用。

2 美国天文红外望远镜

2．1 红外天文卫星IRAS(infrared astronomical satellite)

红外天文卫星IRAS［2］是第一代天基红外望远镜，于1983年1月发射升空并送入900 km的极地轨道。由美国的 NASA、荷兰的 NIVR与英国的SERC联合完成。IRAS在 12μm，25μm，60μm，100μm完成对96%空域的搜索。卫星上搭载了红外搜索阵列(Survey Array)、低分辨率分光计(LRS)、光谱分光通道(CPC)。望远镜采用里奇－克雷季昂(Ritchey-Chretien)结构，f数为9．6，焦距为5．5 m，口径为570 mm。焦平面组件固定在望远镜卡塞格林焦点上，工作温度冷却至3 K以下。在IRAS搜索阵列上有62个红外探测器件，在四个红外波段每个波段至少有两个探测器能够探测到视场内的光线。红外阵列相机参数如表1所示。IRAS外部结构图如图1所示。

表1 阵列相机参数Tab．1 survey array parameter

图1 IRAS外部结构图Fig．1 external structure of IRAS

IRAS任务主要生成包括一个红外点源星表(PSC)，一个小尺度结构星表(SSS)，天空中波计率分光机红外图像。其中红外点源星表(PSC)包含了245889颗目标的位置和测光信息，小尺度结构星表包含了16740颗目标的位置和测光信息。

2．2 大视场红外搜寻探测器WISE(the wide-field infrared survey explorer)

WISE［3］于2009年12月14日在加州范登保空军基地搭载德尔塔2型火箭发射，并送入525 km高度的太阳同步极地轨道。WISE望远镜口径为400 mm，f数为3．375。探测器的像元数为1024×1024，在3．4 μm，4．6 μm，12 μm，22 μm 四个波段完成了对99%空域的搜索。探测器像素的增加使得WISE拥有更高的灵敏度，在相应的波段都大大超过IRAS及COBE。望远镜内含10块曲面镜和2块反射镜，都有铝制成并在表面包裹一层黄金以增加红外辐射反射率。空间观测搜索避开并远离最大光热源－太阳，可保证光学系统低温和来自太阳的散射。但是全空域搜索必须观测与太阳成90°的黄道极点，WISE采取以太阳为中心从北黄道极点搜索到南黄道极点的策略，在半年时间内完成了全空域搜索。搜索阵列参数如表2所示。WISE外部结构图如图2所示。

表2 搜索阵列参数Tab．2 survey array parameter

图2 WISE外部结构图Fig．2 external structure ofWISE

WISE共搜集了15．6 TB的图像和数据，主要释放数据包括初始搜索数据、全天搜索数据、三波段(3．4 μm，4．6 μm，12 μm)低温数据。初始搜索数据覆盖57%空域，包含10464幅全波段FITS格式图像集、257310278颗目标的位置和测光信息。全天搜索数据覆盖了大于99%的空域，包含全天图像集包含18240幅全波段FITS格式图像集、563921584颗目标的位置和测光信息。三波段(3．4 μm，4．6 μm，12μm)低温数据覆盖30%空域，包括5649幅三波段FITS格式的图像。261418479颗目标的位置和测光信息。

2．3 2 μm 巡天2MASS(twomicron all sky survey)

2MASS［4］利用两台高度自动化望远镜，一台位于美国西南部亚利桑那州Hopkins山，一台位于智利Tololo山，每台望远镜均配有3通道照相机，望远镜采用卡塞格伦(Cassegrain)结构，f数为 13．5，口径为1．3 m。因为CCD器件及近红外阵列融合技术的问题，放弃选择 I波段(0．8 μm)。在J(1．25μm)，H(1．65 μm)，Ks(2．17 μm)波段同时观测，每通道包含256×256像素的CCD阵列。北半球的观测于1997年6月开始，南半球的观测于1998年3月开始，2001年1月两半球同时完成观测。2003年发布全天数据。红外相机参数如表3所示。

表3 红外相机参数Tab．3 survey array parameter

观测期间，2MASS大约收集了24．5 TB的原始数据，覆盖了99．998%的天空。2MASS释放的数据包含近红外星表和图像数据。全天释放数据产品包含:一个包含470992970颗点源目标的位置和测光信息的点源星表，点源星表覆盖了99．997%的天空;一个包含1647599颗展源目标的位置、测光和基本轮廓的展源星表(extended source catalog，ESC)，该星表中大部分为星系;一个包含超过4121439幅J，H，和Ks的FITS格式图像集。

2．4 斯皮泽空间望远镜(Spitzer space telescope)

斯皮泽太空望远镜［5］于2003年8月25日发射。望远镜主镜口径为850 mm，工作时冷却至5．5 K。携带仪器包括红外阵列相机(IRAC)、红外光谱仪(IRS)、多谱段成像分度计(MIP)。因为红外辐射是热辐射，为了更好地获取精确的观测数据，必须降低望远镜自身的热辐射，Spitzer选用独特的地球跟踪太阳轨道，这样便不必携带大量的制冷剂，显著的降低了费用。Spitzer分为“低温”和“室温”两部分在保证望远镜正常工作的情况下有效的降低了自身热辐射。其中红外阵列相机IRAC在3．6μm，4．5 μm，5．8 μm，8．0 μm 中心波段对指定的目标区域进行搜索。阵列相机参数如表4所示。Spitzer外部结构图如图3所示。

表4 阵列相机参数Tab．4 IRAC parameter

图3 Spitzer外部结构图Fig．3 external structure of Spitzer

此外还包括一些对指定的空域进行搜索的巡天任务。宇宙背景探测器COBE(cosmic background explorer)于1989年11月发射升空，目的是调查宇宙间的宇宙微波背景辐射(CMB)。COBE上携带了微差微波辐射计(DMR)、远红外线游离光谱仪(FIRAS)、漫射红外线背景实验(DIRBE)。中段实验卫星 MSX(the midcourse space experiment)，MSX［6］上搭载红外探测仪器SPIRITⅢ，主要对太空中波红外进行搜索。MSX对IRAS及COBE遗漏的区域和使敏感度下降的高亮度、扩展源区域进行了覆盖搜索。MSX发布的1．0版本的星表共包含329312个目标，其中包含银河平面搜索的323052个目标，和6260个对IRAS遗漏的区域搜索的目标。

3 欧洲红外天文望远镜

3．1 太空红外天文台ISO(infrared space observatory)

ISO［7］由欧洲11国共同建设，并与美国国家航空航天局与日本宇宙科学研究所(2003年并入JAXA)合作完成。ISO于1995年11月在法属圭亚那发射升空，运行在地球高轨椭圆轨道。1979年，ESA根据IRAS提出ISO计划。由于红外探测器件的飞速发展，ISO性能大幅提升，在12μm波段，ISO灵敏度是IRAS的1000倍，角分辨率是其100倍。ISO望远镜主镜口径600 mm，焦距900 mm，f数为15，采用Ritchey-Chrétien结构。ISO上携带了红外相机(ISOCAM)、照相偏正测量仪(ISOPHOT)、短波分光计(SWS)、长波分光计(LWS)。与IRAS将数据先在卫星上记载随后转发至地面不同，ISO所有的科学数据和管理数据都实时传至地面。但由于ISO的近地点低于地面接收站无线电地平线，当卫星处于近地点时强制关闭星上设备。ISO外部结构图如图4所示。

图4 ISO外部结构图Fig．4 external structure of ISO

3．2 赫歇尔太空天文台(Herschel space observatory)

Herschel［8］于 2009 年 5 月发射升空，是欧空局ESA目前在轨运行最大的空间望远镜。卫星为三轴稳定，指向精度小于3．7″。望远镜采用 Cassegrain结构，作用波段在远红外至亚毫米(55～671μm)。望远镜f数为8．70，口径为3500 mm，是目前口径最大的太空望远镜。其材料采用碳化硅而不是常用的玻璃。望远镜工作时间取决于制冷剂的持续时间，大约20000 h可供天文研究，其中32%对外界公开。Herschel上搭载了光电探测器阵列相机和光谱仪(PACS)、光谱和光度成像接收机(SPIRE)、远红外外差仪器(HIFI)。Herschel外部结构图如图5所示。

图5 Herschel外部结构图Fig．5 external structure of Herschel

4 日本红外天文望远镜

红外太天文卫星(AKARI)。AKARI［9］是由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)和欧洲、韩国部分机构合作开发。卫星于2006年2月在日本鹿儿岛县的内之浦宇宙空间观测所(uchinoura space center)由M－V火箭发射至太阳同步轨道。卫星上搭载了远红外搜寻器(FIS)、红外相机(IRC)。望远镜采用Ritchey-Chretien反射式望远镜结构。焦距为4．2 m，口径为685 mm，制作材料为碳化硅，可以有效地减轻望远镜的质量，这也是历史上首次在太空望远镜上选择用碳化硅作为主镜的材料。AKARI第一阶段在远红外波段(FIS)和中红外波段(IRC)对全空域进行搜索，第二阶段在远红外波段(FIS)对第一阶段搜索遗漏空缺进行搜索。最终，IRC在9μm及18μm波段对96% ～97%的空域进行了两次以上的搜索。红外相机参数如表5所示。

表5 红外相机参数Tab．5 survey array parameter

图6 AKARI外部结构图Fig．6 external structure of AKARI

表6 光学系统参数Tab．6 optical system parameter

AKARI/IRC点源星表1．0版本，包括870973个目标的位置和测光信息，其中844649个9μm波段目标和194551个18μm波段目标，168227个在两个波段都探测的目标。AKARI外部结构图如图6所示。光学系统参数如表6所示。

5 结论

纵观美国、欧洲、日本的红外搜寻计划及红外天文望远镜的研制发展，我们可以发现随着红外探测相关技术水平的发展，极大提升了红外观测设备的性能，为人类获取更多的宇宙、星体红外辐射的信息提供支持。未来红外天文望远镜的发展呈现以下几个特点及趋势:①望远镜光学系统的口径将不断增大，大口径意味着更强大的探测能力，也对相关技术提出更高的要求;②红外天文探测波段覆盖面将更广，测光精度将会进一步提高;③更加开放式的观测数据分析研究。目前在IPAC及ESA网站已公开部分巡天数据并提供数据处理工具供研究使用，提供很好的科研学习平台;④国际间合作将更加紧密。在大型红外天文望远镜项目上，即便对于实力雄厚的欧美大国也无法独自完成，各国间深入合作发挥各自优势已成为趋势。

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