红外空间望远镜简史

文/杜威

天文学家最讨厌阴天，没有什么比不能看到点点繁星更加糟糕的事情了。然而纵使在万里无云的夜空，我们也只能看到可见光等波段有限的光芒，紫外、红外等波段的光大都被地球大气中的水蒸汽、二氧化碳、臭氧等吸收得一干二净，地面上的人们几乎束手无策。然而，在这些波段可以看到许多可见光看不到的细节，对于天文学具有重要意义，诸如在红外波段我们可以观测到年轻的恒星、行星与原始星系，这对解析宇宙、银河系、太阳系甚至地球与生命的起源有重要意义。

天文学家绞尽脑汁思考逃离大气影响的方法，其中最直接有效的方式就是发射空间望远镜卫星，前往地球大气层之外进行观测。

气球与飞机观测

距离可见光较近的近红外波段性质与可见光类似，在地球大气含水量较少的地方可以观测，因此位于地面的红外望远镜多选择建于干燥的沙漠、高原或南极大陆。然而对于中红外、远红外波段的观测，这些地面望远镜便力不从心了。20 世纪60 年代，迫不得已的天文学家使用气球挂载探测仪器飞向水含量少的高空进行红外观测，但是气球探测的观测时间过短，稳定性差，不确定性也比较高。

1974 年，一架改装过的洛克希德C-141 运输机飞上云霄，在14 千米高的平流层进行红外观测，这就是在当年被红外天文学家视为珍宝的美国宇航局柯伊伯机载天文台（Kuiper Airborne Observatory，KAO）。这架飞机搭载了一部口径0.915 米的反射式望远镜，在巡航高度可以观测到85%的红外波长。相比原来随风飘逝的气球，这架飞机可以提供更加稳定的观测条件，能连续观测7.5 小时以上。柯伊伯机载天文台总共进行了1417 次飞行，获得了丰厚的观测成果，极大推动了红外天文学的发展。它拍摄了来自银河系中心和其他星系的远红外图像，研究了恒星形成区域中水和有机分子的分布，并在1977 年首先发现了天王星环，在1988 年确定了冥王星存在大气层。柯伊伯机载天文台于1995 年功成身退。

▲ 地球大气对不同波段电磁波的吸收率示意图

▲ 不同波段下的蟹状星云，可以观测到不同细节的影像

相比发射天文观测卫星，机载天文台具有成本低、便于人工维护等优点，因此现在依然有发展与应用。在柯伊伯机载天文台退役后，美国宇航局开始研发性能更加强劲的索菲亚平流层红外天文台（SOFIA），并于2010 年首次观测。这架改装过的波音747 宽体机在机尾部分有一面高5.5米、宽4.1 米的门，内部搭载了一部直径2.5 米的反射式望远镜，并且可以在夜间连续飞行10 小时。“索菲亚”目前仍在役，它将研究行星大气和表面的组成，探寻彗星的结构、演化和组成；确定星际介质的物理化学性质，并探索恒星和其他恒星的形成过程。

▲ 柯伊伯机载天文台与其望远镜特写

▲ 索菲亚平流层红外天文台与其望远镜特写

▲ IRAS 拍摄的红外全天巡天图像

红外天文卫星（IRAS）

虽然机载红外天文台的成本较低，但依旧有15%的红外光无法看到，同时无法避免飞机抖动的影响。因此，发射红外波段的空间望远镜仍是最佳选择。1983 年1 月25 日，美国、荷兰与英国联合发射了世界上第一款红外空间望远镜——红外天文卫星（Infrared Astronomical Satellite ，IRAS）。

IRAS 重1.08 吨，配备一部直径0.57 米的主镜，运行于900 千米高的太阳同步轨道上。这是人类第一次完全规避地球大气的影响，毫无遮拦地在红外波段进行天文观测。IRAS 在12 微米、25 微米、60 微米、100 微米4 个不同的波段对96%的天空进行了扫描，获得了全世界第一幅红外全天巡天图像，开创了天基红外天文学的先河。IRAS 共发现大约35 万个红外发射源，其中多数仍在等待鉴定。此外，它还发现了4 颗小行星和6 颗彗星等新天体。

IRAS 是第一部在太空使用超流体的卫星。因为红外光的强度与物体的温度有相关性，所以卫星本身也会发出红外线。为了规避卫星本身红外线的影响，IRAS 携带了73 千克的超流体液氦作为制冷剂。这些液氦缓慢挥发，可以将望远镜冷却到-271℃（2开尔文）的极低温度。这些液氦资源是有限的，在工作9 个月零26 天后液氦耗尽，IRAS 温度升高，影响了其正常观测，任务结束。

红外空间天文台（ISO）

1995 年11 月17 日，由欧空局主导，在日本宇宙航空研究开发机构和美国宇航局的合作下，红外空间天文台（Infrared Space Observatory，ISO）成功发射。与IRAS 相比，ISO的性能指标有了进一步的提升，它重2.5 吨，主镜直径为0.6 米，运行于近地点1000 千米、远地点70600 千米高的大椭圆轨道上。在这一轨道其环绕周期为24 小时，与地球自转速度一致，也与地面科研人员作息一致，有利于提高天文台的使用效率。

▲ ISO 的主镜

▲ ISO 的长波光谱仪备份件

ISO 的设计指标参照IRAS 进行了提升，同时携带4 台观测仪器使它的观测波长范围拓展到了2.5 至240 微米，在12 微米波段下其灵敏度提高了1000 倍，角分辨率提高了100 倍，可谓“见微知著”。此外，它携带的液氦制冷剂达到了283 千克，使它的使用寿命进一步延长，达到了接近两年半。

ISO 取得的观测成果丰硕。原本天文学家认为行星只能在年轻的恒星周围形成，但ISO 在垂死的恒星周围发现了年轻的行星，拓展了理论认知。ISO通过携带的红外光谱仪性能优异，通过对光谱的识别可以确定遥远天体的物质组成，比如ISO 测量了太阳系内几颗行星大气的化学组成，并且首次在星际气体云中检测到氟化氢分子，还在猎户座大星云中探测到水分子的存在。

斯皮策空间望远镜（Spitzer）

斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope）是继IRAS 与ISO后第三台致力于红外天文学的空间望远镜，以美国天文学家莱曼·斯皮策命名，斯皮策早在1946 年就提出了在外太空部署望远镜的设想。

斯皮策空间望远镜于2003 年8月发射，重量只有0.95 吨，但是主镜直径却达到了0.85 米，因为主镜采用了轻质金属铍。更加先进的制冷技术使它消耗的液氦量明显降低，只携带了50.4 千克液氦，却足足使用了接近6 年时间。斯皮策空间望远镜选择了一条特殊的地球追踪轨道。在这一轨道上，望远镜将逐年远离地球，以进一步降低地球这一红外热源对观测的影响，同时降低液氦使用量。

▲ 斯皮策望远镜观测模拟图

▲ 斯皮策望远镜拍摄的“上帝之眼”螺旋星云，蓝色对应波长3.6 到4.5 微米，绿色对应波长5.8 到8 微米，红色对应波长24 微米

斯皮策望远镜携带了3 台观测仪器，探测波段为3.6～160 微米。最为著名的探测成果，是它在2005 年成为第一部直接捕捉到来自系外行星的望远镜。2006 年3 月，斯皮策望远镜在银河系中心发现了一个80 光年长的双螺旋星云。据天文学家分析，它之所以扭曲成双螺旋形状是因为其中心存在一个超大质量黑洞，黑洞产生的巨大磁场造成光路偏转。这是黑洞存在的直接证据之一。

“斯皮策”在2009 年5 月15 日用完了液氦制冷剂，这导致远红外波段的观测工作终止。不像前两代IRAS和ISO 在制冷剂用完后直接退役，“斯皮策”的红外阵列相机此后依旧在近红外波段工作，并发现了更多颗系外行星、褐矮星、原恒星等遥远且黯淡的天体，这一段时期被称作“斯皮策温暖任务”。直到2020 年1 月30 日因能源供给不足而被永久关闭，斯皮策望远镜被榨干最后一丝能量后永久地睡去了。

赫歇尔空间天文台（Herschel）

欧空局在2009 年5 月14 日成功发射了赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory），这部空间望远镜以发现天王星的天文学家威廉·赫歇尔、卡罗琳·赫歇尔兄妹命名。它是在詹姆斯·韦伯空间望远镜发射前世界上最大的空间望远镜，重3.4 吨，拥有一部主镜直径3.5 米的望远镜。更大的口径可以带来更加强劲的观测能力，赫歇尔空间天文台是截至目前唯一一部能够看到从55 微米的中红外波段到672 微米的亚毫米波段的望远镜。波长如此长的红外线可以穿过星际气体和尘埃，使赫歇尔空间天文台可以看清灰尘遮盖的神秘区域。

赫歇尔空间天文台的主镜材料并非玻璃，而是由碳化硅制成。因为直径3.5 米的玻璃镜面在巨大的温度变化下会产生明显的形变，而碳化硅具有低热膨胀系数、高导热性、高硬度和高刚性，因此十分适合制作直径3.5米的主镜。

▲ 赫歇尔空间天文台的主镜

▲ 赫歇尔空间天文台拍摄的玫瑰星云，蓝色对应波长70 微米，绿色对应波长160 微米，红色对应波长250 微米

赫歇尔空间天文台运行在距离地球150 万千米远的拉格朗日L2 点，在这一点可以在尽可能远离太阳、地球、月球这三大红外热源的同时，保证观测能力、电力供应与通信能力的效益最大化。赫歇尔空间天文台探测了宇宙早期的星系演化过程，观察了恒星形成及其与星际介质的相互作用，并且测量了太阳系内行星、彗星和卫星的大气化学成分。

这部红外望远镜的核心探测器也需要液氦冷却，它携带了约320千克液氦，将望远镜核心部件降温到-271℃以下。它在正常运作接近4年后，于2013年4月29日将液氦耗尽，任务结束。

▲ 宽视场红外测量探测器观测模拟图

赫歇尔空间天文台在2011 年8月发现星际空间中存在氧气分子，在同年10 月还通过测量哈特利2 号彗星中氘含量，表明地球上的大部分水最初可能来自彗星撞击。受益于日益发展的计算机技术，这部望远镜数据收集与存储能力大大提升，在2013 年退役后依旧留下了巨量的科学数据等待天文学家处理。2014 年1 月，欧空局天文学家使用赫歇尔的数据首次确定在矮行星谷神星上存在水蒸汽，使天文学家重新思考了彗星、小行星和矮行星之间的界限。直到2017 年，天文学家们才将“赫歇尔”留下的探测数据分析完毕。

宽视场红外测量探测器（WISE）

宽视场红外测量探测器（Widefield Infrared Survey Explorer，WISE）是美国宇航局在2009 年12 月14 日发射的小型红外空间望远镜。它只有0.66 吨重，配有一部直径0.4 米的主镜，运行在525 千米高的太阳同步轨道上。这颗卫星与先前的红外空间望远镜相比规格较小，是因为它承担的任务有所差异。WISE 将专注于在3.3、4.7、12 和23 微米的波段对全天进行快速成像，以搜寻小行星、彗星和部分冷暗的恒星。

WISE 身姿小巧，身手敏捷，每隔11 秒就可以拍摄一张图像，截至2010 年底拍摄了150 万张之多。根据这些图像，天文学家发现了太阳系内33500 颗新的小行星和彗星，其中包括地球的第一颗特洛伊小行星。此外，它还发现了太阳系外一种全新的褐矮星。10 个月后，WISE 携带的液氦耗尽，进入休眠模式。

不同于其他直接退役的卫星，WISE 在2013 年被重新唤醒，并重命名为近地天体广域红外巡天探测器（NEOWISE），在近红外波段继续搜索近地小行星与彗星，并寻找与地球存在相撞风险的小行星。截至2021 年底这颗小巧的空间望远镜还在发挥余热，美国宇航局将它的任务期限至少延长到了2023 年6 月。

▲ 宽视场红外测量探测器拍摄的彗星Siding Spring (C/2007 Q3)

▲ 詹姆斯·韦伯空间望远镜巨大的主镜

▲ 罗马空间望远镜模拟图

▲ 起源空间望远镜模拟图

未来可期

在赫歇尔空间天文台退役后，国际天文学界已经为其接任者做好了初步规划。首先是美国宇航局与欧空局合作的詹姆斯·韦伯空间望远镜，它拥有一部直径6.5 米的巨大主镜，将专注于接收从0.6 到28.5 微米的的近红外光，于2021 年12 月25 日发射升空，并取代赫歇尔空间天文台，打破世界上最大空间望远镜的记录。其技术达到了目前人类能够达到的巅峰。

美国还有多枚红外空间望远镜的中远期发射计划，包括于2027 年发射的南希·格雷斯·罗马空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）、2035 年发射的起源空间望远镜（Origins）等。罗马空间望远镜配备一部直径2.4 米的宽视场主镜，它将探索宇宙膨胀的历史和宇宙结构的变化，并精确测量宇宙中暗能量的影响，验证时空曲率、广义相对论的一致性。起源空间望远镜的设计更为抢眼，它将拥有一部直径达8 到15 米的巨大主镜，将在远红外波段实现观测能力的飞跃，其角分辨率与赫歇尔相比提升了10000 倍以上。

纵观空间红外望远镜发射史，我们可以看到越来越大的主镜直径、越来越先进的主镜材料、越来越强劲的制冷系统、越来越高效的数据获取与通信能力。这会带来更加精细的角分辨率，呈现出前所未有的细节。

人类的好奇心是伟大的，它带领人类前赴后继地探寻宇宙起源、生命起源的真谛。而这都需要红外空间望远镜的技术支持，只有通过这些冰冷的望远镜，人类才能“不畏浮云遮望眼”，点燃一代代人澎湃又炽热的心。

▲ 世界主要红外空间望远镜主镜大小及主镜温度对比图 作者译，有改动