空间红外天文台

深蓝色的畅想

美国宇航局在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地，发射了空间红外天文台。红外天文台包括一架红外望远镜，口径85厘米，搭载红外阵列照相机、红外谱仪、多波段成像光电仪，总重865千克，是目前世界上发射的最大的红外望远镜。红外天文台的运行轨道为日心轨道，跟踪地球轨迹前进，周期372天。观测波段为3～
      
180微米，由于地球大气的阻隔，在地面上是无法观测到这个波段的。空间红外天文台是美国宇航局四大空间天文台的第四个，也是最后一个，它们分别在四个不同波段上观测宇宙。前三个分别是哈勃空间望远镜、康普顿伽玛射线天文台和钱德拉X射线天文台，它们在可见光、伽玛射线、X射线波段上观测宇宙。空间红外天文台为我们打开了一扇观测宇宙的新窗口。

　　空间红外天文台是美国宇航局“探索宇宙起源计划”的一个里程碑。“我们从哪里来?芽”，“我们是孤独的吗?”这些问题随着空间红外天文台投入使用，都有可能得到回答。它将帮助我们撩开宇宙神秘的面纱。

　　我们设想一下，当我们聆听交响乐的时候，如果只能听到C音和其附近的几个音符，那么，我们将无法领略整首乐曲的美妙结构。对天文学家，情形正是如此，他们只能在可见光的范围内了解宇宙。我们的眼睛能够探测到的只是宇宙能量的一小部分。这一能量的其余部分是以无线电波、微波、热、X射线、伽玛射线等形式出现的，科学家统称之为电磁辐射。不同类型的辐射有不同的频率、波长和能量。波长越短，能量和频率越高。反之亦然。在波谱的一端是无线电波，频率低，能量低，波长长。在另一端是伽玛射线，频率高，能量高，波长极短。介于两者之间是可见光光谱。我们眼睛所见的颜色反映了光的波长、能量和频率。可见光光谱的一端是红光，相对来讲，频率低，能量低，波长长，另一端是紫外光，相对来讲，频率高，能量高，波长短。可见光的波长从约0.7微米到0.4微米之间。红外光在可见光谱红端的外面，它比红光具有更低的能量和更低的频率，因此，称之为“红外”。红外辐射从约1微米(近红外)到200微米及以上(远红外)。

　　宇宙中绝对零度以上的(-273.15摄氏度)物体都会发出电磁辐射。辐射的类型取决于物体的温度。例如，能辐射伽玛射线的物体，其温度必须超过十亿摄氏度。伽玛射线是最富能量的光，伽玛射线望远镜能捕捉到一些最极端、最震撼的事件，如超新星爆发和中子星碰撞。更为大家所熟悉的天体，如恒星，温度在一万摄氏度左右，主要辐射可见光。按照这一模式，温度更低的天体，几百摄氏度或更冷，和人体温相同的温度，就主要辐射红外光了。因此，红外望远镜是探测冷宇宙，或者说不可视宇宙的绝佳工具，包括那些飘浮在恒星之间的巨大的宇宙尘云，在可见光领域难以探测到的，太遥远，太微弱的绕恒星运动的行星。我们银河系的中心存在巨大的星际尘云，后面可能隐藏着大质量的黑洞，在近红外和中红外光下，这片尘云就变得透明了，天文学家期待着能够瞥见这一令人惊叹的现象。

　　当宇宙膨胀的时候，来自遥远星系的星光发生红移，最终变为红外光。早期宇宙中的恒星、星系和其他星体发出的辐射如今都处在红外波段。空间红外天文台将让我们看到十亿年前的宇宙，帮助我们了解最初的星体是如何诞生的，它们的化学成分是怎样的。我们将更好地理解我们身处的宇宙和世界。

　　在两年半到五年的设计寿命期间，空间红外天文台将研究围绕恒星周围的行星形成盘的结构和化学成分，这有助于寻找类地行星，大家普遍认为这种行星上存在生命。空间红外天文台还将研究所谓褐矮星等问题。一些科学家认为，这将解释宇宙中普遍存在的暗物质。空间红外天文台还将研究太阳系内的行星、小行星和彗星。

　　为了达到预设的科学目标，和以往的红外观测计划相比，空间红外天文台在技术上有许多改进。这些改进大大降低了研发、发射和运行成本。它使用了红外探测器阵列技术，灵敏度提高了一百万倍。在8000千米的高空，空间红外天文台可以探测到一台电视遥控器的脉冲信号。这种技术是美国国防部在上世纪80年代发展起来的，用于高背景温度，波长小于30微米的环境下。后来，在天文上，发展成为在低背景温度，高灵敏度环境下应用，适用的波长范围从近红外一直拓展到了远红外。空间红外望远镜的主镜、副镜和支撑结构几乎完全用轻巧的金属铍来制造。金属铍具有高坚固度密度比(密度低，牢度强)，良好的热导性，低的冷却热等优点。望远镜的总重量控制在50千克以下。金属铍望远镜不仅不受热膨胀变化的影响，而且有极好的体积稳定性，不容易变形。空间红外望远镜的轨道设计是十分巧妙的。它在日心轨道上跟踪着地球的轨迹前进，它将以0.1天文单位／年的速率漂离地球，从而为望远镜创造了一个好的温度环境。由于红外主要是热辐射，因此望远镜必须冷却到接近绝对零度(-273摄氏度)，这样才能不受望远镜自身热辐射的干扰。在绕地球运行的轨道上，由于地球不仅反射来自太阳的可见光，而且辐射红外波，因此，地心轨道上的卫星沐浴在250K的温度下。漂移的日心轨道把望远镜置于“深空”中，那儿的温度只有约30～40K。这样，就大大减少了携带冷却剂液氦的数量，从原先设计方案的3800升减到现在的360升，大大减轻了飞船的载重量。和以往的冷发射技术对比，这被称为“暖发射”技术。如此，不需要用昂贵的大力神火箭，只要用成本较低的德尔塔火箭就可以发射了。

　　空间红外天文台采用的先进技术和预期的科学发现将用于今后的“探索宇宙起源计划”，如詹姆斯-韦伯空间望远镜，类地行星发现者等等。它将为人类探索宇宙的计划作出重大贡献。