斯必泽空间红外望远镜

　　哈勃空间望远镜是我们大家非常熟悉的，它于1990年4月发射升空，到目前已经在太空中工作了16年半，获得了大量的精彩图像和激动人心的新发现，使人类对宇宙的认识得到了极大的扩展和突破。这里，我们要给大家介绍的是能与“哈勃”媲美的另外一架空间望远镜，它的名字叫“斯必泽”。与“哈勃”一样，它也是用一位著名天文学家的名字命名的。斯必泽（Lyman Spitzer,Jr.1914～1997年）是20世纪最伟大的科学家之一，在天体物理方面做出了杰出贡献，他也是最早提议将望远镜送入太空的人。虽然“斯必泽”与“哈勃”都是在太空工作的望远镜，但是“斯必泽”是观测天体红外波段的望远镜，而“哈勃”是以光学观测为主的望远镜，这两台望远镜工作的波段不相同。

　                                    20世纪的伟大科学家斯必泽（1914～1997年）

　　1．天体辐射与地球大气窗口

　　在介绍斯必泽空间红外望远镜之前，我们先要弄明白红外望远镜是怎么回事。我们平常所说的望远镜一般都是指光学望远镜，只能用来观测天体发出的可见光。可见光有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜色。我们平时看到的白色太阳光就是由这七种颜色的光混合而成的。天体除了发出可见光之外，还发出许多种我们人类的眼睛看不见的光线。如射电波（实际上就是无线电波，天文学上将其称作射电波）、红外线、紫外线、X射线、g射线等。古代的天文学家不知道这些不可见光线的存在,他们只能在可见光范围内观测宇宙,研究天体。 近一二百年来, 人们才陆续发现这些看不见的光线, 并且陆续研制出观测天体这些辐射的特殊的望远镜, 使人类对宇宙的认识越来越全面, 越来越深入。

　　红色光是可见光当中波长最长的，红外线和无线电波比红色光的波长更长。紫色光是可见光当中波长最短的, 紫外线、X射线、γ射线都比紫外线的波长更短。可见光和这些看不见的光线似乎区别很大，其实它们的本质是相同的，即它们都是电磁波，只不过它们的波长各不相同罢了。让我们来看看它们的波长各有多大：

附表： 天体的各种辐射及其波长

辐射名称		波长范围
射电波	米波	1～30米
	厘米波	1～100厘米
	毫米波	1～10毫米
红外线	远红外	30～1000微米
	中红外	3.0～30微米
	近红外	0.77～3.0微米
可见米		0.4～0.77微米
紫外线		0.01～0.4微米
X射线		0.002～10纳米
γ射线		小于0.002纳米

　　虽然天体各种辐射的本质没有不同，但是地球大气对它们的反映却有很大的差别。许多波段的辐射在地球大气层中受到反射、吸收或者散射，根本无法到达地球表面，只有少数波段的辐射可以穿透地球大气层到达地球表面，就好像是地球大气专门为这些波段敞开了一扇扇的窗口。
　
　　那么，具体说来地球大气窗口都有哪些呢？如附图01所示，可见光和射电波可以透过地球大气，到达地球表面，分别叫做光学窗口和射电窗口。绝大多数红外波段的辐射都会在地球大气中被大气中的水汽、二氧化碳、臭氧等各种分子所吸收，只有从近红外到中红外之间的一小段波长，即从1.2微米到21.0微米之间这一小段波长的红外辐射能够穿透地球大气，到达地球表面，叫做指定波长的红外窗口。

　　至于紫外线、X射线和γ射线，地球大气对它们都有严重的吸收。如大气中的氧、臭氧和氮，强烈吸收天体射来的紫外线；而低层大气中的水汽，强烈吸收X射线和γ射线等天体的短波辐射。因此，紫外线、X射线和γ射线都被地球大气阻挡在它的外面了，地球大气对它们没有敞开窗口。

　　虽然天体各种辐射的本质是相同的，即它们都是电磁波，不同之处仅仅在于它们的波长各不相同，但是就是这一点不同，就造成了它们的特性差别极大，同时也造成了地球大气对它们敞开的窗口也各不相同。人们要探索宇宙奥秘，要全面地研究天体各种辐射的奥秘，就需要想方设法对天体各个波段的辐射都进行观测。

　　2．探测宇宙奥秘的四大天王

　　如何才能克服大气层对天体辐射的阻挡与吸收呢？早在20世纪40年代，斯必泽就首次提出要将望远镜送入太空去观测那些被大气阻挡在外面的天体辐射。随着空间时代的到来，把望远镜送到地球大气层以外进行天文观测才成为可能，于是才有了空间望远镜。空间观测设备与地面观测设备相比，具有极大的优势。不仅是在地面上观测不到的紫外线、X射线、γ射线以及大部分红外波段的天体辐射，空间望远镜都能观测到，而且即使是光学望远镜，到了大气层以外也可以接收到比在地面更宽的波段，短波甚至可以延伸到100纳米；而且在太空没有大气抖动，分辨本领可以得到很大的提高；空间没有重力，仪器也不会因自重而变形。

　　空间观测具有极大的优越性，但是空间观测设备造价非常昂贵，既需要高新技术为基础，又需要大量经费的支持，使得许多弱小国家不得不望洋兴叹。从20世纪90年代开始，美国宇航局（NASA）实施了一项规模浩大的空间探测工程—－“大天文台项目”。这个大项目中共包括四架覆盖不同波段的空间望远镜，号称“四大天王”。“四大天王”之首是1990年升空的哈勃空间望远镜，它的观测波段主要在可见光，还有一部分紫外和近红外，至今仍在正常工作。1991年“四大天王”的第二个成员康普顿γ射线天文台发射升空，在γ射线波段探测宇宙，于2000年6月完成任务后被实施人工坠海。“四大天王”的第三个成员是钱德拉X射线天文台，于1999年发射升空，主要在X射线波段探测宇宙深处的高温高能天体，如黑洞、类星体等。现在也还在正常工作。
  
　　“四大天王”的第四个成员就是我们今天的主角——斯必泽空间红外望远镜。20世纪70年代，美国的科学家就开始筹划空间红外望远镜。起先打算设计成用航天飞机搭载的红外望远镜，多次反复升空进行观测。1983年以后决定将红外望远镜送到轨道上做长期的观测。2003年8月25日，在肯尼迪空间中心，由1枚德尔塔2型火箭将它送入太空。“斯必泽”望远镜镜身长4.45米，直径约2米。望远镜主镜是一个直径85厘米的透镜。配有3台观测仪器，它们是红外阵列照相机、红外摄谱仪和多波段成像光度计，能够拍摄宇宙天体的3～180微米的红外辐射。望远镜总重865千克。这是迄今为止全世界最大的也是灵敏度最高的空间红外望远镜，它超常的灵敏度能够探测到地面上不可能探测到的信号。望远镜耗资大约12亿美元。

　　3．“斯必泽”的四大科学目标
　　
　　科学家们为“斯必泽”制定了四大科学目标。第一，寻找太阳系之外的行星。这是天文学家多年以来持之以恒的一个努力方向。在可见光波段很难发现它们，因为行星的光芒会被恒星的光芒淹没。而在红外波段，恒星与行星的光谱特征具有明显的区别，所以在红外波段就可能比较容易发现太阳系以外其他恒星周围的行星。

　　第二，探索行星是怎样形成的。按照目前流行的理论，行星是在恒星周围的尘埃盘中形成的。通过观察不同演化阶段的尘埃盘，得出有关行星形成的过程。这项工作在可见光波段也很难完成，因为尘埃的遮挡使我们看不清那里发生了什么事情。红外观测则能够穿透尘埃的阻挡，揭示出那里面的奥秘。

　　第三，研究陌生的河外星系。在“斯必泽”升空之前，欧洲的“红外天文卫星”发现一些在红外波段辐射很强而可见光辐射却很弱的河外星系，这些星系大多数都是正在合并或者正在发生相互作用的星系。还有一些星系具有一个能够释放巨大能量的星系核，叫做活动星系。目前人类对于具有强烈红外辐射的星系和活动星系都还了解得比较少，“斯必泽”的第三项科学目标就是大力开展对这些陌生星系的观测和研究，以便更深入地了解它们。
　
　　第四，观测遥远星系，揭示早期宇宙图景。哈勃空间望远镜曾经拍摄到130亿光年之遥的宇宙深空，那里密密麻麻分布着很多星系。远在130亿光年之遥的光需要130亿年的时间才能到达我们这里，所以我们看到的应该是130亿年以前宇宙的图景。“哈勃”的观测集中在可见光和紫外波段，“斯必泽”的观测集中在红外波段，两者的结合将得到更加完美的观测成果。

　　4．“斯必泽”看宇宙

　　“斯必泽”是接收天体红外辐射的望远镜。这种望远镜必须在接近绝对零度（绝对零度＝摄氏零下273度）的超低温条件下才能正常工作。为使它保持超低温，消除望远镜自身散发出的红外线的影响，保证其检测到的红外线都来自于其他天体，必须要给它装上液体氦或液氢。空间红外望远镜技术复杂，造价昂贵，且寿命短，因为一旦它的液体氦或液氢使用完了，它也就寿终正寝了。“斯必泽”设计的最短寿命为2.5年，目标寿命在5年以上。“斯必泽”是第一台与地球同步运行的太空望远镜，它的轨道也非常独特，是躲在地球的后面，与地球保持同样的角速度绕太阳旋转。这个轨道可使望远镜免受太阳的直接照射，等于给望远镜提供了一个天然的冷却源，这样就可以少带一些液氦，不仅减轻了望远镜自身的重量，同时也节省了资金。

　　由于采用了大型红外阵列成像技术，“斯必泽”可以将目前的观测范围扩展上百万倍，甚至能够穿越气团和尘埃去分析恒星的诞生和死亡，帮助科学家揭开未知天体的神秘面纱，了解宇宙早期的模样。通过斯必泽望远镜，天文学家能够对银河系及其它星体有更多的了解，尤其是对那些在宇宙大爆炸之后形成的星体进行进一步的观测。“斯必泽”在太空工作3年来，取得了令人瞩目的观测成果。NASA网站陆续公布了“斯必泽”获取的大量图像，使我们的耳目一新，大大地丰富了人类对宇宙的认识。

　　已到中年的“斯必泽”，目前的工作速度并没有减慢，仍在干劲十足地迎接预定观测时间的最后期限。而负责这个项目的科学家们正在预想在液氦用尽之后让望远镜再小规模运行两年。因为在冷却剂耗尽之后，“斯必泽”本身反射并驱散多余热量的能力可以使它的温度满足其红外照相机阵列4个通道中的两个正常运转。我们想象不到“斯必泽”还会给我们带来什么样的惊喜。有人说斯必泽空间红外望远镜可以和哈勃空间望远镜相媲美，甚至能比“哈勃”探索到更深层的宇宙空间，这话的确没错。

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