斯皮策太空望远镜开启“跨越”阶段任务

于2003年8月25日发射升空的斯皮策太空望远镜,将在2016年10月1日开启它任务中的“跨越”阶段。斯皮策一直以来的操作情况,早已超越了任务初期时为它设定的限制,在预期以外的科学领域作出新的发现,比如外星行星。NASA斯皮策太空望远镜小组将其下一趟旅途阶段命名为“跨越”,以庆祝这个航天器拓宽太空科技的能力。

“斯皮策的运行已经超越了任务初期时的设定,”来自NASA喷气推进实验室的斯皮策项目科学家Michael Werner说道,“我们从未想过它在发射后能够运行13年,此外,科学家们也探索到了一些我们从未想象到的新发现。”

NASA最近刚授予飞行器一个两年半的任务扩展。斯皮策任务的跨越阶段将在天文学和宇宙学探索一大批课题,包括太阳系内外的行星体。

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该图展示了斯皮策任务随着时间的推移,这个飞行器在不同阶段相对于地球所处的位置。

由于斯皮策的轨道和年龄,跨越阶段将遭遇一大批新的工程挑战。斯皮策追随着地球绕日的轨迹,但由于飞行器的速度慢于地球,随着时间的推移两者之间的距离将会越来越大。当斯皮策飞至更远,它的天线必须对着太阳指向更高的角度,才能与地球进行通讯,这就意味着飞行器的那些部位将受到越来越多的热量。与此同时,斯皮策的太阳能仪表盘的指向背离太阳,从而不会收到太多阳光,使电池处于更大的压力下。为了让这个风险更大的模式工作,任务小组将不得不禁用一些自动安全系统。

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这个艺术概念图展示着NASA的斯皮策太空望远镜。斯皮策将于2016年10月1日开启跨越任务阶段。这个飞行器被描绘在它能够与地面站建立通讯这样一个定位上。

“要在这样一个热敏感的飞行器上平衡这些顾虑,注定是一场刀尖上的舞蹈,但是工程师们正在努力工作,为迎接跨越阶段的挑战准备着。”洛克希德马丁航天系统公司的斯皮策飞行器首席工程师 Mark Effertz说道。这个公司位于科罗拉多利特尔顿市,而洛克希德马丁公司建造了该飞行器。

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银河系的360度红外全景

发射于2003年8月25日的斯皮策,已经在它的任务期间持续地适应新科学和新工程的挑战,团队期望它能够在跨越阶段继续表现如此。

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银河系中心的黑洞

为跨越阶段所挑选的研究计划,也叫做周期13,包括了众多斯皮策最初不打算涉及的目标,比如早期宇宙的星系、银河系中心的黑洞,以及外星球。

“当斯皮策刚升空时,我们甚至从未考虑用它来研究外星球,”位于帕萨迪纳加州理工学院NASA斯皮策科学中心的Sean Carey说道,“用当时的眼光看这个想法是多么滑稽,但是现在它已经是斯皮策的一项重要工作了。”

斯皮策的外星行星探索

斯皮策拥有众多的能力,使其成为外星行星科学的一个宝贵助手,包括一个超精度的星体瞄准系统,还有控制干扰温度变化的能力。

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系外行星HD 189733b的全球温度

它稳定的环境与长时间观测星球的能力,促成了它在2005年第一次探测到已知外星行星的光线。

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增强的指向经度,可让斯皮策望远镜能够研究系太阳系外外行星的性质。

最近,斯皮策的红外阵列相机IRAC,通过使用“中转”模式,寻找一个恒星亮度的变化点,这个变化点就是一个行星在它面前绕过时的景象。要测量这样的亮度变化,需要使用精确的仪器,才能发现外星球。IRAC科学家们创造了一种全新的观测模式来做这样的测量,那就是通过使用这个相机内的单像素。

斯皮策所使用的另一项行星搜寻技术,叫做微引力透镜,不过该技术最初并不是为这个项目所设计的。当一颗星星从正面经过另一颗时,第一颗星球的引力会表现得像一面透镜,使来自更遥远的那颗星星的光变得更明亮。科学家们正在使用微引力透镜来寻找那片光明中的尖光点,这个尖光点可能意味着正有一个行星进入了前述星星的轨道。斯皮策和陆基抛光光学重力透镜实验(OGLE)一同被用来寻找太阳系之外的最遥远已知行星之一,正如2015年所报道的。这类调查终于因斯皮策的日益远离地球而得以实现,在任务初期时确实无法做到。

窥探早期宇宙

了解早期的宇宙是斯皮策发射的另外一个研究领域,设计IRAC的目的是用它来追踪约120亿光年外的遥远星系——如此遥远,以至于它们的光穿越了整个宇宙史的88%。

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斯皮策和哈勃通力协作,发现了一些已知最遥远的星系。

但是现在有了斯皮策和NASA哈勃太空望远镜的合作,科学家们可以窥探到过去的面貌。目前可观测的最远星系,GN-z11,通过这些望远镜所记录的数据,在2016年的一个研究中得以描述。它有134亿光年远,意味着它的光在宇宙大爆炸后,已经旅行了4亿年。

“当我们设计IRAC仪器时,我们尚不知晓那些更遥远的星系存在,”IRAC的首席调查员Giovanni Fazio说道,其基地位于麻省剑桥的哈佛史密松天体物理中心。“哈勃太空望远镜和斯皮策的结合实在是太赞了,镜组互相协作来确定星系的距离、恒星质量以及年龄。”

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土星最大的光环,地面望远镜难以观测。

在距离家园更近的范围里,2009年科学家们通过天文台发现了土星最大的环时,斯皮策帮助天文学家进一步了解了这个行星。星环里的主要物质——冰与尘的混合物——始自距离土星370万英里(六百万千米)处,扩展了740万英里(一千两百万千米)。尽管星环没有反射太多可见光,致使地面的望远镜难以观测,但是斯皮策能够检测到来自这些冷尘中的红外光。

斯皮策的多重阶段

液氦冷却剂被消耗完毕后,斯皮策于2009年5月的温暖任务期间改造了自己,此前自2003年8月以来一直是使用该冷却剂冷却它的仪器。当寒冷任务结束时,斯皮策的红外线摄谱仪和多波段成像光度计停止工作了,幸而IRAC四台摄像机中的两台坚持了下来。自此,尽管工作环境过于暖和(负405华氏度或者30开尔文度,按地球的标准还是很冷的),斯皮策做出大量发现。

“有IRAC小组和斯皮策科学中心小组的团队合作,我们真的学会了如何更好地操作 IRAC仪器,”Fazio说,“望远镜也是蛮稳定的,而且在一个极好的轨道中,可以观测到一大片天空。”

斯皮策在跨越阶段将会一直持续到NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜来接替它,韦伯太空镜计划于2018年10月发射。斯皮策的设定就是确定目标,从而韦伯能在之后进行更深一步的观测。

“能够在跨越阶段继续使用斯皮策,我们十分兴奋。我们万分期待在接下来的两年半出现全新的、激动人心的发现。”来自喷气推进实验室的斯皮策项目经理 Suzanne Dodd说道。

喷气推进实验室为位于华盛顿的NASA太空任务指挥部管理斯皮策太空望远镜项目。科学作业在位于加利福利亚帕萨迪纳的加州理工大学进行。由位于科罗拉多利特尔顿市的洛克希德马丁航天系统公司操作航天器。相关数据存档在加州理工大学红外加工和分析中心的远红外科学档案室里。(翻译:钱丹辰 校核:暗黑步行者

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