升空15周年快乐，斯皮策望远镜！

NASA的斯皮策空间望远镜，已经在太空兢兢业业运行了15年，作出了许多不亚于哈勃的重大发现。图片来源：NASA

　　（艾麦乐 编译）到今年8月25日，NASA的斯皮策空间望远镜升空就满15年了。
　　跟大名鼎鼎的哈勃空间望远镜比起来，斯皮策望远镜虽然同样兢兢业业，同样劳苦功高，却显得低调太多了，甚至有些默默无闻。事实上，哈勃望远镜发布的许多太空图片中，就包含有斯皮策望远镜提供的红外影像数据。而对天文学家来说，斯皮策在天文发现方面的成就也丝毫不亚于哈勃，甚至作出了不少连它的设计者都从来没有设想过的重大发现。
　　趁着发射升空15周年之际，是时候来好好认识一下斯皮策空间望远镜了。

NASA的3台大型轨道天文台（钱德拉、哈勃和斯皮策）合作拍摄的仙后座A，一颗恒星在绚烂的超新星爆发中炸碎之后留下的遗迹。图片来源：NASA/JPL-Caltech/STScI/CXC/SAO

大型轨道天文台
　　跟哈勃空间望远镜一样，斯皮策也是NASA旗下的大型轨道天文台之一。
　　大型轨道天文台，是NASA提出的一个雄心勃勃的计划，旨在建造和运行4台大型空间望远镜，在各自专长的不同波段观测宇宙，从而帮助天文学家给我们的宇宙描绘一幅更完整的图像。
　　1990年发射升空的哈勃望远镜，是大型轨道天文台中最早的成员，主要在肉眼能够感知的可见光波段观测宇宙，它拍摄的大量太空图片已经成为一代经典。除哈勃以外，大型轨道天文台还包括：1991年发射升空的康普顿伽马射电天文台，1999年发射升空的钱德拉X射线天文台，以及今天我们要着重介绍的斯皮策空间望远镜。
　　2003年发射升空的斯皮策，是大型轨道天文台的最后一员，主要在红外波段观测宇宙。

在象鼻星云这个恒星襁褓之中，斯皮策的红外视力能够透过重重尘埃的遮蔽，看见其中刚刚形成的原恒星。图片来源：NASA/JPL-Caltech/W. Reach (SSC/Caltech)

遥望宇宙的红外眼
　　红外线，主要来自于热辐射，波长略长于可见光。虽然肉眼看不见，但在探索太空方面，红外线却相当重要。从恒星诞生之地暗流涌动的星云，到地球轨道附近个头不大的小行星，宇宙中有大量现象可以用红外线来观测和研究。特别是宇宙中那些极其遥远的天体，更是只在红外波段才有机会一窥真相。
　　有些天体太过暗淡或者太过遥远，还有些天体被浓密的宇宙尘埃云遮挡，哪怕用哈勃望远镜，在可见光波段都无法看到它们，而斯皮策在红外波段往往就能看个清楚。从这个角度来说，斯皮策扩宽了人类探索宇宙的视力，无论远近。
　　更重要的是，与地面望远镜不同，斯皮策不必与地球大气层、日常温度变化或者昼夜交替相对抗。凭借口径还不到1米的反射镜，太空中的斯皮策望远镜比地球上口径10米的望远镜更加敏感。

工作在红外线波段的斯皮策望远镜，扩宽了人类观测宇宙的视力，看见了不一样的宇宙景观。图片来源：NASA

尾随地球
　　斯皮策无法像哈勃那样绕着地球运转，因为在靠近地球的位置上，地球本身散发出的热量是一种干扰，会影响它遥远宇宙的红外视力。于是，斯皮策选择了一条环绕太阳的轨道，几乎跟地球轨道一模一样。区别只在于，在这样一条轨道上，它的移动速度比地球稍慢，会逐渐落在地球身后，每年都会飘得更远一些。
　　这条“地球尾随轨道”有许多优点。由于避开了地球的热量干扰，斯皮策享受着天然更加“凉爽”的空间环境。由于环绕太阳运行，斯皮策还拥有更广阔的天空视野。虽然它的视野全年都在变化，但在任意时刻，它都可以观测大约1/3的天空。
　　斯皮策是进入这条轨道的第一艘航天器。在它升空6年后，开普勒望远镜也进入了地球尾随轨道，后来发现了数以千计的太阳系外行星。

斯皮策在“冷任务”期间拍摄的盘绕星系NGC 1097。图片来源：NASA/JPL-Caltech

耗尽冷却剂
　　一开始，NASA给斯皮策设定的工作年限，只有短短2年半的时间。
　　由于是在红外波段观测宇宙，斯皮策上的设备对温度极为敏感，只有在比绝对零度仅高出几度的极低温环境下，部分设备才能正常工作。为此，斯皮策专门准备了液氦冷却剂，用于在任务期间让关键设备保持低温。而斯皮策发射时能够携带的液氦，总容量是有限的。
　　2年半的工作年限，正是斯皮策的团队预计这些冷却剂将会耗尽的期限。
　　结果，那些液氦超出了预期，一口气撑了5年半的时间，直到2009年5月才全部耗尽。这第一个阶段的观测，也被斯皮策团队称为“冷任务”。
　　显然，NASA并没有打算让斯皮策随着冷却剂的耗尽而退役。相反，斯皮策的工作进入到了下一个阶段，被称为“温任务”。
　　此时，斯皮策的温度已经要比绝对零度高出大约30℃了。虽然看起来仍然很低，但它携带的许多设备，比如红外光谱仪（IRS）和多波段成像光度计（MIPS），已经无法再继续工作了。好在，红外阵列相机的4块探测器阵列中，有2块坚持了下来。从那时起，身残志坚的这台相机一直推动着斯皮策继续探索宇宙。

在“温任务”期间，斯皮策望远镜通过微引力透镜发现了太阳系外行星OGLE-2016-BLG-1195Lb，距离地球大约1.3万光年，是已知最远的系外行星之一。图为这颗行星的想像图。图片来源：NASA/JPL-Caltech

意外收获系外行星
　　斯皮策不是为研究系外行星而设计的，却在这一领域取得了巨大的成就。
　　2003年斯皮策发射升空时，系外行星科学还处于起步阶段。斯皮策团队的首批科学家和工程师，根本不知道它还能观测太阳系外的行星。但这台望远镜精确的恒星瞄准系统，以及控制不必要温度变化的能力，让它成为了研究系外行星的有力工具。
　　利用所谓的“凌星法”，斯皮策可以监测某一颗恒星，如果有行星从它前方经过，遮住了一部分星光，斯皮策就会发现恒星亮度出现下降。斯皮策望远镜最著名的成就之一，就是用这种方法发现了TRAPPIST-1的3颗行星，并证实这颗温度超低的矮星总共拥有7颗地球大小的行星。斯皮策的数据还帮助科学家断定，所有7颗行星都是岩石行星。
　　使用另一种称为“微引力透镜”的技术，斯皮策还找到了银河系中心方向更遥远的太阳系外行星。当一颗恒星从另一颗恒星前方经过时，前面那颗恒星的引力会起到透镜的作用，使得后面的恒星看起来显得更亮。科学家利用斯皮策仔细观测这种增亮过程，如果后面那颗恒星的亮度出现突然的变化，可能意味着前面那颗恒星拥有围绕它旋转的行星。

TRAPPIST-1，被称为“迷你太阳系”，拥有7颗行星，而且全都类似于地球，甚至有好几颗都位于可能适于生命生存的宜居带内。图片来源：NASA/R. Hurt/T. Pyle

远在天边，近在眼前
　　在设计之初，斯皮策的科学家就预期，这台望远镜将打开通往遥远过去的观测窗口，让我们看到离地球大约120亿光年的星系。
　　那些极其遥远的天体发出的光，在跨越了漫长的时间和空间抵达地球时，早已不再是原来的颜色，而是会整体向红色方向偏移。这种因为宇宙膨胀而导致的现象，使得最遥远的那些天体发出的可见光，甚至被偏移到了红外波段。而这个波段，正是斯皮策设计观测的范围。
　　实际上，斯皮策超越了设计师预期，甚至看到了更久远的过去，几乎回溯到了宇宙诞生之初。通过与哈勃望远镜的合作，斯皮策帮助测定了GN-z11星系的基本性质。这个星系距离我们大约134亿光年，它的光在大爆炸后4亿年就开始在宇宙中穿行了。这是人类已知最遥远的星系。

GN-z11，人类已知距离我们最远的星系，它的基本性质便是由斯皮策望远镜帮助测定的。图片来源：NASA

　　除了“远在天边”的星系，斯皮策还作出过“近在眼前”的大发现，就在我们的太阳系内部。
　　或许你知道，土星拥有美丽而又独特的光环。但你可能不知道，土星最大的光环，直到2009年才被斯皮策望远镜发现。最外侧的这道光环并不能反射很多的可见光，因而很难用地球上的望远镜看到它。但在斯皮策望远镜的红外眼中，光环里寒冷的尘埃发出的红外线光芒却清晰可见。
　　这道光环从距离土星600万公里处开始，一直延伸到1200万公里以外。相比之下，肉眼在望远镜里能够看到的土星光环，最外侧边缘到土星的距离也只有14万公里而已。

土星最大光环的示意图。图片来源：NASA/JPL-Caltech

　　上面这些，只是斯皮策作出的许多重大发现中的几个例子而已。它还帮助发现了宇宙中最古老的两个超大质量黑洞，率先检测到了系外行星上有水存在的迹象，见证过其他太阳系里岩石行星发生的大碰撞，还首次在宇宙星云中发现了巴基球碳分子。
　　而在另一方面，超期服役太长时间的斯皮策空间望远镜，也开始显露出疲态。
超越极限
　　从2016年10月开始，斯皮策进入了所谓的“超越模式”。
　　当时，升空超过13年的斯皮策望远镜，已经在尾随地球的轨道上越飘越远，要被地球落下小半圈了。逐渐拉大的空间跨度，给通信带来了越来越大的挑战。而更大的麻烦在于，从斯皮策的位置上看来，太阳和地球在天空中的方位正在越靠越近。
　　为了与地球交流，工程师必须将斯皮策的天线对准地球方向。而现在，这意味着天线不得不越来越偏向于太阳方向。一方面，这会让望远镜暴露在更多阳光带来的热量之下，温度会升得更高；而另一方面，与天线垂直的太阳能板却不得不偏离太阳方向，导致发电效率越来越低，给供电带来更大的压力。
　　按照原本的程序设定，遇到这样的极限情况，斯皮策望远镜应该自动进入安全模式，以免设备受损。而NASA的决定是，手动取消安全限制，让已经超期服役的斯皮策能够继续工作，哪怕这样会让它承受更高的风险。这便是超越模式，意味着斯皮策的工作已经超出了原本给它设定的安全范围。
　　所幸的是，到目前为止，在这种高风险模式下，斯皮策望远镜工作还算顺利。

斯皮策望远镜进入了超越模式，可以说是顶着大太阳在坚持工作，并且跟地球保持联络。图片来源：NASA/JPL-Caltech

　　但最终，斯皮策是要卸下现役主力红外空间望远镜这副重担的。接它的班继续在红外线波段探索宇宙的，将是NASA计划在2021年发射的韦布空间望远镜。而在韦布之后，NASA还计划研制大视场红外巡天望远镜（WFIRST）。
　　对于这些后继者，斯皮策已经给它们确定了进一步研究的领域。凭借更强大的行星大气探测能力，韦布可能会揭示斯皮策发现的那些系外行星的惊人新细节。斯皮策和其他望远镜一起发现的遥远星系，也将由韦布来作进一步的详细观察。而WFIRST则将通过红外波段的巡天观测，来探索和调查长期悬而未解的更多宇宙之迷。
　　当未来的那些红外望远镜作出重大发现的时候，天文学家不会忘记斯皮策望远镜作为这位老前辈，这15年来给红外观测天文学打下的坚实基础。
　　斯皮策，升空15周年快乐！
编译来源
NASA官网，10 Things: Spitzer Space Telescope
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