Michael Werner 文 Shea 編譯
2009年5月15日，美國宇航局的主力紅外空間望遠(yuǎn)鏡“斯皮策”終于耗盡了它最后一滴用于制冷的液氦，結(jié)束了為期五年的“低溫”使命。讓我們跟隨它一起去探訪那些宇宙隱藏的角落……
[圖片說明]：斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的反射星云NGC7129中的恒星形成區(qū)。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/T. Megeath (Harvard-Smithsonian CfA)。
在通過望遠(yuǎn)鏡目鏡所能看到的宇宙之外，還平行存在著另一個宇宙。那就是紅外宇宙。在這個宇宙中，光線的波長要比人類肉眼所能看到的最紅的光波還要長。從2003年8月發(fā)射至今，美國宇航局（NASA）的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡就以前所未有的靈敏度和成像清晰度探索著這個隱藏的宇宙。
使用“斯皮策”天文學(xué)家就可以在其他的恒星系統(tǒng)中看到諸如行星這樣相對較“冷”的天體，而它們無法在可見光波段發(fā)出足夠能被看到的輻射。“斯皮策”還能穿透籠罩著銀河系大多數(shù)地方的濃密星際塵埃，揭示出先前看不到的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家們還用它來探測被塵埃所覆蓋的星系中央黑洞。
“斯皮策”所能觸及的最遙遠(yuǎn)地方是第一代恒星和星系形成的早期宇宙。它們所發(fā)出的光離開這些天體的時候都在可見光和紫外波段，但是在傳播的過程中由于宇宙的膨脹被拉伸到了紅外波段。“斯皮策”上的儀器可以探測到這些來自遠(yuǎn)古的光線，讓天文學(xué)可以研究128億年前星系的樣子，而當(dāng)時的宇宙只有現(xiàn)在的1/7大。
[圖片說明]：斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的5個側(cè)面。它的特殊設(shè)計使得它具有了非凡的紅外靈敏度。太陽防護(hù)照/電池板使得“斯皮策”始終處于陰影中。而“斯皮策”背向太陽的一側(cè)也被漆成了黑色，以此來向宇宙空間輻射熱量。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech。
現(xiàn)在“斯皮策”已經(jīng)進(jìn)入了它工作的第六個年頭。它在眾多領(lǐng)域所做出的發(fā)現(xiàn)充分展現(xiàn)了紅外天文學(xué)所帶來的科學(xué)力量。即使在“斯皮策”耗盡了為保證所有探測器都達(dá)到高靈敏度的液氦之后，它也依然可以繼續(xù)探測紅外波段下的宇宙。而新的更強(qiáng)大的紅外空間望遠(yuǎn)鏡不久就會接替“斯皮策”的工作。
冰凍三尺
“斯皮策”成功的秘密在于它的設(shè)計。它可以把望遠(yuǎn)鏡的照相機(jī)和攝譜儀都維持在-272℃的低溫，這樣一來這些電子探測器在紅外波段就可以達(dá)到它們的最大靈敏度。為此，“斯皮策”上的儀器都被安放在了一個裝有液氦冷卻劑的容器之上。同時“斯皮策”所采用的新技術(shù)也使得它與會干擾觀測的外界熱源隔絕了開來。
例如，“斯皮策”裝在一側(cè)的太陽能電池板和絕熱罩總是對準(zhǔn)太陽的，保證望遠(yuǎn)鏡時刻都在陰影之中。“斯皮策”尾隨地球的軌道也使得它與地球散發(fā)出的熱量保持了一定的距離。而望遠(yuǎn)鏡的物理設(shè)計也利用了空間環(huán)境天然的制冷作用。由此“斯皮策”每天只需要使用28克的液氦就能維持儀器所需的工作溫度。
[圖片說明]：斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡在一條尾隨地球的軌道上繞太陽轉(zhuǎn)動。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech。
不過，即便是望遠(yuǎn)鏡使用了諸多創(chuàng)新型的設(shè)計它也只能減緩而非阻止液氦無情地蒸發(fā)。2009年5月15日“斯皮策”上360升的制冷劑終于蒸發(fā)殆盡，這一個刻的到來標(biāo)志著從2003年開始這5年多來“斯皮策”氦制冷“低溫任務(wù)”的結(jié)束。
太陽系外行星天氣報告
“斯皮策”的低溫任務(wù)中包含了令人激動的對太陽系外行星的探測。到2009年3月已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了344顆太陽系外行星，而后續(xù)的發(fā)現(xiàn)也正在快速地涌現(xiàn)。
這些已知的太陽系外行星中有許多是被稱為“熱類木星”的大質(zhì)量氣態(tài)行星，它們都在非?？拷阈堑能壍郎瞎D(zhuǎn)。在這其中有一顆被稱為HD189733b的行星，它正圍繞著一顆距離地球63光年的恒星轉(zhuǎn)動。這顆行星所發(fā)出的絕大部分光都在紅外波段，使得“斯皮策”可以探測它的溫度和組成。
[圖片說明]：藝術(shù)家想象中的非?？拷拗骱阈堑臒犷惸拘?。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)。
HD189733b相對較弱的輻射使得它淹沒在了宿主恒星的光芒之中。不過幸虧HD189733b公轉(zhuǎn)的軌道是側(cè)向?qū)χ厍虻模虼?#8220;斯皮策”還是有辦法能把它和恒星分開。
在HD189733b繞恒星轉(zhuǎn)動的過程中，它都會從恒星的前方經(jīng)過（凌星），然后繞到一側(cè)，接著再運動到恒星的后方。當(dāng)行星被恒星遮擋消失在視場中的時候，“斯皮策”上靈敏的探測器就會測量此時由于缺少了行星所造成的紅外輻射降低。這一降低所對應(yīng)的正是這顆行星的大氣溫度。
除此之外，“斯皮策”的科學(xué)家還能探測這顆行星表面溫度隨著其經(jīng)度的變化。因為HD189733b的軌道非常靠近恒星，因此恒星強(qiáng)大的引力會將行星“鎖住”并且使它始終只有一側(cè)沖著恒星——就像月亮只有一面朝著地球一樣。
當(dāng)HD189733b凌星的時候，“斯皮策”就能觀測它處于夜晚的一側(cè)。當(dāng)凌星結(jié)束HD189733b開始向恒星后方運動的時候，“斯皮策”就能不斷地觀測到它大氣中不同的部分。當(dāng)行星運動到恒星后方的時候，“斯皮策”就能測量它整個大氣圈的紅外輻射，并且揭示出溫度是如何隨著經(jīng)度變化的。
[圖片說明]：處在不同軌道位置的行星，觀測者就能看到它大氣的不同部分。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)。
這一研究發(fā)現(xiàn)，盡管HD189733b的自轉(zhuǎn)被“鎖定”了，但是朝向恒星的一側(cè)和背向恒星一側(cè)的溫度差距其實并不大——從927℃到649℃。同時，朝向恒星一側(cè)溫度最高的也不是恒星正好位于頭頂方向的地方，而是在這個基礎(chǔ)上還要向東偏30°。
向東30°的偏差以及白天和夜晚間不大的溫差說明了風(fēng)把熱量從白天一側(cè)帶到了夜晚的一側(cè)。但是為了要解釋觀測到的溫度分布，風(fēng)的速度就要達(dá)到每小時1,610千米以上。
探測銀河系
“斯皮策”的觀測也大大推動了對我們所在銀河系的認(rèn)識。現(xiàn)在對河外旋渦星系中富含氣體和塵埃的旋臂所拍攝的照片足可以裝滿好幾本相冊，但是對于我們自己身處的銀河系卻做不到。不過紅外天文學(xué)為我們提供了一個解決辦法。
[圖片說明]：“斯皮策”分別在24、8.0和3.6微米的波段上拍攝了旋渦星系M81（底圖），中間為這三個波段的合成照片。左上角的可見光波段照片來自美國基特峰國家天文臺。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/K. Gordon (University of Arizona) & S. Willner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), N.A. Sharp (NOAO/AURA/NSF)。
在可見光波段，很難在大距離上通過恒星計數(shù)來描繪銀河系的旋臂以及其他的主要結(jié)構(gòu)。銀河系中絕大部分的恒星都位于一個平面（銀盤）中，但是絕大多數(shù)的塵埃也是如此。那些距離地球超過3,000光年的恒星所發(fā)出的可見光因此就無法穿透由塵埃所組成的“幕墻”。而銀河系中心到我們的距離則達(dá)到了27,000光年。幸運的是，絕大部分的紅外輻射都可以穿透塵埃，使得“斯皮策”可以一覽銀盤無遺。
對銀河系探測所取得的重要進(jìn)展來自“斯皮策”的紅外中銀道面非常巡天（GLIMPSE）。GLIMPSE觀測了位于銀道面上、下130°長、1°寬的長條形天區(qū)，這一寬度差不多正好是4個滿月摞起來的高度。
GLIMPSE帶來的大量新數(shù)據(jù)強(qiáng)烈地支持了先前關(guān)于銀河系是一個棒狀星系的結(jié)論。銀河系中的棒狀結(jié)構(gòu)是由沿橢圓而非圓軌道繞銀心轉(zhuǎn)動的恒星以及氣體所組成的，長度約為28,000光年。
在GLIMPSE之前，觀測發(fā)現(xiàn)銀河系擁有4條主要的旋臂：矩尺臂、英仙臂、人馬臂以及盾牌-半人馬臂。由于旋臂的長度遠(yuǎn)大于寬度，因此當(dāng)“斯皮策”沿著旋臂延伸方向觀測的時候就能看到比橫穿旋臂時多得多的恒星。
[圖片說明]：“斯皮策”拍攝的銀河系中心照片。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (SSC/Caltech)。
根據(jù)GLIMPSE的結(jié)果，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)沿著矩尺臂和人馬臂其中恒星的密度不存在跳變，即沿著旋臂恒星的數(shù)目增加不大。這些結(jié)構(gòu)現(xiàn)在被歸為“小旋臂”，它們是由一塊塊的氣體和一群群的年輕恒星所組成的。但是盾牌-半人馬臂和英仙臂則是富含恒星的大旋臂，它們直接和銀河系中心棒狀結(jié)構(gòu)的兩端相連。
尋找隱藏的黑洞
“斯皮策”能穿透星系中塵埃的能力也為回答另一些問題提供了機(jī)會，那就是什么樣的星系會擁有超大質(zhì)量黑洞。目前已知的幾乎所有的超大質(zhì)量黑洞都位于星系中央恒星高度聚集的核球之中。以銀河系為例，它有一個中央核球，在核球中則有一個3-4百萬個太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。與旋渦星系中心核球類似的橢圓星系也具有超大質(zhì)量黑洞，且最大的可以大到幾十億個太陽質(zhì)量。
[圖片說明]：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的草帽星系（M104）可見光與紅外合成照片（上圖），“哈勃”所拍攝的可見光照片和“斯皮策”拍攝的紅外照片分列于左下角和右下角。草帽星系是一個幾乎側(cè)向?qū)χ覀兊男窍?，在它的中心具有超大質(zhì)量黑洞。版權(quán)：紅外照片：NASA/JPL-Caltech/R. Kennicutt (University of Arizona)/the SINGS Team；可見光照片：Hubble Space Telescope/Hubble Heritage Team。
天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，中央黑洞和核球似乎是一起長起來的。核球的質(zhì)量越大，黑洞的質(zhì)量也就越大。它們之間有一個顯著但卻時至今日未能被解釋的關(guān)系，那就是中央黑洞的質(zhì)量大約是核球的0.2%。對于沒有核球的星系，它們似乎應(yīng)該不會擁有中央黑洞，但是“斯皮策”對無核球星系的觀測卻否定了這一點。
在一項研究中，科學(xué)家使用“斯皮策”觀測了32個核球較小或者沒有核球的星系。意想不到的是，其中有7個擁有黑洞，且質(zhì)量從3,000-150,000個太陽質(zhì)量不等。因此，這說明了即使沒有核球在星系的中央黑洞也能形成并且生長。
而紅外波段的觀測在此起到了關(guān)鍵的作用。當(dāng)氣體盤旋著掉入黑洞的時候就會在它周圍形成吸積盤，其中被激發(fā)的氖氣體就會發(fā)出X射線和紫外輻射。這一過程可以產(chǎn)生能穿透周圍塵埃的獨特紅外信號，進(jìn)而被“斯皮策”觀測到。
[圖片說明]：側(cè)向星系NGC 5907。天文學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，扁平的旋渦星系因為沒有核球進(jìn)而其中央也不具有黑洞。但是“斯皮策”的觀測結(jié)果挑戰(zhàn)了這一核球-黑洞之間的聯(lián)系。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/M.L.N. Ashby (Harvard-Smithsonian CfA)。
“斯皮策”對黑洞的觀測為我們留下了一個重要的未解之謎。如果黑洞不是由核球產(chǎn)生的，那么又是從哪兒來的呢？現(xiàn)在天文學(xué)家們只能對此進(jìn)行猜測。將來“斯皮策”和其他的紅外天文臺通過更詳盡地觀測近距星系中的黑洞也許能幫助我們回答這個問題。
宇宙深處
除了近距離的宇宙之外，“斯皮策”還向我們展現(xiàn)了早期第一代恒星和星系形成時宇宙深處的畫面。雖然現(xiàn)在我們還無法回溯到137年前宇宙大爆炸的創(chuàng)生時刻，但是“斯皮策”已經(jīng)將我們所能看到的范圍向前推進(jìn)了到宇宙歷史中一個關(guān)鍵的階段——再電離時期。
大爆炸不久之后，宇宙中所有的物質(zhì)就是一鍋由質(zhì)子、電子和光子等粒子組成的“熱湯”。在38萬年后，宇宙經(jīng)過膨脹冷卻到了足以能讓電離的粒子重新組合到一起的溫度。由此形成了中性的氫原子和氦原子，但是還沒有形成恒星。這就是宇宙的“黑暗時期”。
然后在黑暗之中恒星和星系開始形成。當(dāng)?shù)谝淮阈潜稽c燃的時候，它們的輻射就會加熱并且電離中性氫。到大爆炸之后大約10億年，這一“再電離”過程基本完成?，F(xiàn)在星系之間的絕大部分物質(zhì)還依然是電離氫。但是天文學(xué)家并不清楚這一關(guān)鍵的過程到底是在什么時候開始的。
通過觀測宇宙中最遙遠(yuǎn)的天體——早期星系——并且檢查它們是位于中性的還是電離的星系際介質(zhì)中就可以回溯宇宙再電離的時期。這使得我們可以描繪出再電離的過程以及宇宙結(jié)構(gòu)的演化。
宇宙膨脹會拉伸遙遠(yuǎn)星系所發(fā)出的光線。當(dāng)它們到達(dá)地球的時候，它們的波長已經(jīng)紅移到了紅外波段。而探測這些輻射正是“斯皮策”的強(qiáng)項。一個天體所發(fā)出輻射紅移的量越大，我們可以回溯的年代就越久遠(yuǎn)。
[圖片說明]：“斯皮策”和“哈勃”聯(lián)手捕捉高紅移星系。左圖：“哈勃”拍攝的超深空區(qū)，其中包含了大約1萬個星系，這是人類目前在可見光和近紅外波段所能看到的最遠(yuǎn)畫面。右上：左圖哈勃超深空區(qū)藍(lán)色方框的放大圖像。其中的藍(lán)色圓圈圈出了一個在可見光波段不可見的遙遠(yuǎn)星系。右中：由“哈勃”的近紅外照相機(jī)和多目標(biāo)分光儀所拍攝到的這一遙遠(yuǎn)星系，但它在近紅外波段下非常紅且暗弱。右下：“斯皮策”的紅外相機(jī)在波長更長的紅外波段輕而易舉地觀測到了這一星系。它的紅外亮度說明這是一個大質(zhì)量星系。版權(quán)：NASA, ESA/JPL-Caltech/B. Mobasher (STScI/ESA)。
高紅移星系就像是遠(yuǎn)古的化石，可以向我們揭示出在早期宇宙中所發(fā)生的過程以及它們是如何影響未來宇宙的。“斯皮策”通?？梢杂^測到紅移為6的星系，這意味著這些光是在大爆炸之后9億年離開星系的。這一時期正好和再電離重合。
和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以及地面大型天文臺一起，“斯皮策”正在不斷向前回溯著宇宙的過去。它已經(jīng)觀測到了紅移可能高達(dá)7.6的星系，換句話說這些光是在大爆炸之后7億年發(fā)出的。這些星系中的恒星可能早在大爆炸之后5億年就形成了。
但是要再電離宇宙還存在一個所需能量的短缺問題。觀測到的高紅移星系數(shù)量不足以產(chǎn)生電離早期宇宙中所有中性氫所需的輻射，少了大約1/3。
一個可能的解釋是，除了觀測到的明亮大質(zhì)量星系以外還存在著數(shù)量更多的小質(zhì)量星系。盡管小質(zhì)量星系所能產(chǎn)生的輻射遠(yuǎn)不如大質(zhì)量星系，但是因為它們數(shù)量眾多，因此綜合起來還是可以產(chǎn)生再電離宇宙所需的能量。不過即使它們存在的話，也由于太暗弱而無法被觀測到。
“斯皮策”升溫的未來
不久得益于紅外天文學(xué)的幫助，我們就將會看到更遙遠(yuǎn)的宇宙。“斯皮策”的后繼者NASA的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡計劃于2013年發(fā)射。它的接收面積是“斯皮策”的50倍，可以看到比“斯皮策”所能看到的更早期的宇宙。
[圖片說明]：三葉星云（M20）在可見光波段（左）和“斯皮策”可見的紅外波段（中）下顯現(xiàn)出了迥異的形狀，揭示出了不同的特征和物理過程。在可見光照片中暗色的塵埃帶非常醒目，而在紅外波段下“斯皮策”可以穿透塵?？匆娦窃浦行律暮阈?。“斯皮策”所拍攝的這張照片由它的紅外陣列照相機(jī)（右上）和多波段成像光度計（右下）所拍攝的影像合成而來。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/J. Rho (SSC/Caltech)。
但是也不要忘了“斯皮策”。即使在它的液氦耗盡之后，由于太空中的低溫它還能在兩個紅外波段上進(jìn)行觀測，而且不喪失任何靈敏度。在這些波段上，“斯皮策”還能觀測太陽系外行星、研究銀河系和我們的外太陽系以及遙遠(yuǎn)的星系。
在這一情況下“斯皮策”至少還能工作2年。從“斯皮策”開始投入觀測算起，對它探測、發(fā)現(xiàn)、分析以及認(rèn)識的過程將持續(xù)到下一個十年。如果說“斯皮策”是為下一次紅外天文飛躍所做的熱身運動的話，那么整臺大戲才剛剛開始。
（本文已刊載于《太空探索》雜志2009年第11期）
[Astronomy 2009年03月]
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