空间望远镜发展史

文/ 叶楠

红外及亚毫米波空间望远镜

红外线与亚毫米波

1800 年，天文学家威廉·赫歇尔将温度计置于棱镜的后面，发现一种波长大于红色光的辐射，这种辐射肉眼看不见，却能使温度计的读数上升，因为处在光谱中红色的外侧，所以被称为红外线，其波长范围在750 纳米～1 毫米之间。实际上，太阳辐射中一半以上的能量都位于红外波段。天文观测上一般将红外线分成近红外、中红外和远红外几个波段，其中波长范围在0.1 ～1 毫米之间的远红外部分也被称为亚毫米波，这个波段包含着丰富的物理和化学信息，对于天体物质结构的探测具有重要意义。由于地球大气对红外的吸收，全球仅有几个地点能够进行观测，比如图中位于智利阿塔卡玛沙漠的亚毫米波观测阵，而更多的观测还需要依赖红外空间望远镜。

红外天文卫星

红外天文卫星（IRAS）是人类第一台红外空间望远镜，发射于1983 年1 月25 日，望远镜采用RC 式结构、口径57 厘米、焦距545 厘米，能够在12 微米、25 微米、60 微米和100 微米四个波段进行巡天观测。IRAS 对全天96%的天区进行了观测，发现了约35 万个红外源，其中7.5 万个被认为是星爆星系，还有许多拥有盘状尘埃云的恒星，它们可能是行星系统形成的早期阶段。由于红外观测需要将望远镜保持在2K（约-271℃）左右的温度，而用于为IRAS 制冷的液氦消耗殆尽，因此重达1.1 吨的IRAS 在900 公里轨道高度上运行了10 个月后不得不于11 月21 日停止了工作，但它现在依旧在围绕地球公转。

空间红外望远镜

1995 年3 月18 日，日本种子岛太空中心发射了一颗名为太空飞行单元（SFU）的天文观测卫星（上图），卫星发射质量3.8 吨、轨道高度约480 公里、倾角28.4度。SFU携带有包括空间红外望远镜（IRTS）在内的多种科学仪器，IRTS 也是采用液氦制冷，其观测目标为可以穿透尘埃的银河系内天体的红外辐射。SFU 最特殊的一点是，它是一颗可重复使用的卫星。下图是1996 年1 月20 日，奋进号航天飞机在执行STS-72 任务时，利用机械臂将SFU 抓回航天飞机舱内带回地球。

红外空间天文台

红外空间天文台（ISO）由欧空局与美国宇航局和日本宇宙航空研究开发机构合作研制（图为位于海德堡的马克思-普朗克研究所内的全尺寸ISO 模型），于1995 年11 月17 日从圭亚那航天中心发射进入近地点1000 公里、远地点70600 公里、周期24 小时的椭圆轨道。ISO 的主镜是一台口径60 厘米的RC式望远镜，焦距900 厘米，观测波长为2.4 ～240 微米。它携带有2268 升液氦，能够将终端设备保持在1.7K（约-271℃）的低温下。同IRAS 相比，ISO 的灵敏度和分辨率分别提高了1000 倍和100 倍，其主要工作是对IRAS 发现的部分红外源进行更精确的观测。1998 年4 月8 日液氦耗尽，一个月后ISO 被永久关闭。

太空中途红外实验

太空中途红外实验（MSX）是美国弹道导弹防御组织的一颗红外观测卫星（左图），1996 年4 月24 日从范登堡空军基地发射升空，被放置在高度898 公里、倾角99.16 度的太阳同步轨道上。望远镜口径为33 厘米，终端设备由固态氢进行冷却，观测波段从8 ～21 微米。右图是MSX 拍摄的半人马座α 图像，这是距离我们最近的一个恒星系统。

亚毫米波天文卫星

亚毫米波天文卫星（SWAS）是美国宇航局小型探测器计划的第3颗卫星，于1998 年12 月6 日从范登堡空军基地由飞马座XL 火箭发射升空，轨道高度590 公里、倾角70 度、周期96.5 分钟。SWAS 的主镜是一个口径为55 厘米×71 厘米的椭圆形离轴卡塞格林式反射望远镜，观测波长为0.54 ～0.61毫米。它的主要工作是研究星际气体云的组成和结构，以及恒星及行星的形成过程。SWAS 连续运行了五年半时间，对200 多个目标进行了深度观测。2004 年7 月21 日开始进入休眠状态，并于2005年6 月1 日唤醒，目的是对深度撞击任务提供支持，探测撞击时水汽的变化。

大视场红外探测器

大视场红外探测器（WIRE）（左图）于1999 年3 月由飞马座XL火箭从范登堡空军基地送入距离地表409 ～426 公里的极地轨道。WIRE原计划对星爆星系和明亮的原星系进行为期4 个月的红外观测，但不幸的是在入轨仅仅几个小时后，由于电子设备的一个设计缺陷使得固体氢发生泄露，泄露就像一个微型推进器使卫星以每分钟60 圈的速度旋转，虽然技术人员通过重新建立姿态控制解决了这个问题，但是失去了制冷剂，卫星携带的科学仪器无法正常运行，这颗价值7300 万美元的卫星之后只能屈尊用于对亮星的光度监测。2011 年5 月10 日，WIRE 再入大气层坠毁。右图是WIRE 搭载的传感器，可对波长在12 微米和25 微米的红外线感光，可惜并没有派上用场。

斯皮策空间望远镜

斯皮策空间望远镜（SST）（左图）隶属于美国宇航局大型轨道天文台计划，原名“空间红外望远镜设备”，于2003 年8 月25 日由德尔它Ⅱ型火箭发射升空。按照美国宇航局的传统，该望远镜在成功运行后会被重新命名，最终天文学家莱曼·斯皮策的名字脱颖而出，他是20 世纪40 年代空间望远镜概念的提出者。SST 被置于日心轨道上，近日点1.003 天文单位（1 天文单位约为1.5 亿公里）、远日点1.026 天文单位、周期373.2 天。SST 的主镜直径85 厘米，焦比f/12。SST 携带的液氦使它正常运行至2009 年5 月15 日，虽然失去了液氦的帮助，但红外相机中波长最短的两个模块还可以继续在太空30K（约-243℃）的温度下继续工作。SST 任务一直延续到2020 年1 月30日才正式宣告结束。

SST 是历史上最成功的红外空间望远镜之一，在其超过16 年的工作中有许多令人惊奇的发现。同哈勃空间望远镜一样，SST也有部分时间用于拍摄科普图像，可以在教育和传媒领域免费使用。右图是SST 刚升空后不久拍摄的象鼻星云的伪彩色照片，这是距离我们2450 光年的一片发射星云。在SST 的最后几年，它甚至还做过搜寻系外行星的工作，HD 219134b 就是由SST 确认发现的，这是一颗岩石行星，大小约是地球的1.5 倍，后续还发现这颗行星存在大气层。

光亮号

“光亮号”（上图）是日本宇宙航空研究开发机构与欧洲和韩国共同合作开发的一颗红外天文卫星，于2006 年2 月21 日由M-V 火箭送入太阳同步轨道。“光亮号”主镜口径为67 厘米、焦距4.2 米，可在波长范围1.7 ～180微米进行巡天观测。“光亮号”使用液氦作为制冷剂，至2007 年8 月26 日液氦耗尽时，它按计划完成了远红外和中红外的巡天工作，覆盖96%天区面积，记录下5000 多个观测侯选体。2011 年5 月“光亮号”遭遇一次电气故障，所有科学仪器无法继续工作，整个任务于同年11月宣告结束。下图是“光亮号”于2006 年5 月22 日使用红外相机在6 个波段拍摄的M81 星系的照片对比。3 和4 微米可以穿透所有尘埃看到星系核心部分，7 和11 微米可以看到星系盘上的气体云，15 和24 微米可以看到旋臂中被年轻恒星加热的尘埃云。

赫歇尔空间天文台

赫歇尔空间天文台（左图）以威廉·赫歇尔爵士的名字命名，是欧空局建造的有史以来最大的红外望远镜，望远镜口径达到3.5 米、焦距28.5 米，工作波长55 ～672 微米。为减轻重量，镜片由碳化硅制成，望远镜质量只有315 千克。2009 年5 月14 日，“赫歇尔”从圭亚那空间中心由阿里安5 火箭发射升空，被放置在围绕拉格朗日L2 点的利萨茹轨道上。“赫歇尔”使用液氦制冷，支持它工作了近4 年时间，直至2013 年4 月29 日，同年6 月17日宣告任务结束。右图是“赫歇尔”于2010 年4 月拍摄的麒麟座玫瑰星云局部照片，玫瑰星云是一个距离我们5000 光年的发射星云，图像中心的亮点是质量较小的原恒星。这是一幅三色合成伪彩色图像，红色代表250 微米波长，绿色代表160 微米，蓝色代表70 微米。

广域红外巡天探测者

广域红外巡天探测者（WISE）是美国宇航局的一台红外空间望远镜，也是WIRE 的继任者。WISE 于2009 年12 月14 日从范登堡空军基地发射升空，进入太阳同步轨道。WISE 的主镜口径0.4 米，可在3.4、4.6、12 和22微米波长进行巡天观测。在10 个月的任务期内，它对99%的天区面积共拍摄了150 万张照片，每个方向至少有8 张图像。在液氦基本耗尽后，WISE开启了名为NEOWISE 的项目。WISE可以探测到温度低至70K ～100K（约-203℃～-173℃）的天体，它新发现了超过3 万颗小行星和彗星以及约300 颗近地小天体。2011 年2 月在完成小行星带巡天任务后，WISE 进入休眠状态。2013 年2 月，“车里雅宾斯克”陨石在俄罗斯上空爆炸，美国宇航局呼吁加强对近地小行星的监测，WISE 也于同年9 月被重新唤醒，为保护地球免受小行星袭击而继续工作。