最好的致敬！NASA 斯皮策望遠(yuǎn)鏡服役 16 余年后完成使命，最后一張星云圖曝光

本文作者：付靜

2020-04-20 18:30

導(dǎo)語：以我之眼，觀此寰宇。

在未知迷霧里探索了 16 余年的“行星獵人”，留下了最后一張作品。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2020 年 3 月 17 日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）公布了斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope，SST）在退役前捕獲到的最后一張鑲嵌圖。

最好的致敬！NASA 斯皮策望遠(yuǎn)鏡服役 16 余年后完成使命，最后一張星云圖曝光

作為 NASA 發(fā)射的四大太空望遠(yuǎn)鏡之一，斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡于 2003 年 8 月 25 日發(fā)射，2020 年 1 月 25 日最后拍到了加州星云（California Nebula）圖像，最終于 2020 年 1 月 30 日正式退役。

加州星云：最好的致敬

實(shí)際上，宇宙中除了行星、彗星以外的幾乎所有延展型天體都屬于星云（Nebula），由氣體和塵埃組成。根據(jù)發(fā)光性質(zhì)，星云可劃分為發(fā)光氣體云、發(fā)射星云、反射星云及暗星云。

其中，「發(fā)射星云」（Emission nebula）其實(shí)可以簡(jiǎn)單理解為由星際氣體組成的、會(huì)發(fā)光的云。發(fā)射星云附近的恒星發(fā)出的紫外線會(huì)電離星云內(nèi)的氫氣（HⅡ regions）等，令其發(fā)光——星云的顏色取決于具體的化學(xué)組成和被游離的量，由于在星際間的氣體絕大部分都是只要較低能量就能游離的氫，所以不少發(fā)射星云都呈紅色。如果有更高的能量電離其他元素，那么綠色、藍(lán)色都可能出現(xiàn)。

而斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡最后捕獲到的「加州星云」便是一種發(fā)射星云。

長(zhǎng)約 100 光年的加州星云因與美國(guó)加州的外觀相似而得名，又名 NGC 1499，和太陽一樣位于銀河系獵戶臂內(nèi)，二者相距 1500 光年。

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據(jù)此前曾拍攝到的圖像（如上圖）顯示，加州星云帶有明顯的紅色光芒，這是氫原子被電離掉一個(gè)電子之后，又再次“失而復(fù)得”，從而輻射出來的光。

而在斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到的加州星云圖像中，兩側(cè)的紅色和藍(lán)色帶代表兩種不同波長(zhǎng)的光，而灰色區(qū)域顯示了兩種波長(zhǎng)。

值得一提的是，斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡共同隸屬于美國(guó)宇航局和加州理工學(xué)院，主要由加州理工學(xué)院斯皮策科學(xué)中心管理運(yùn)營(yíng)，其數(shù)據(jù)存檔在加州理工學(xué)院 IPAC 的紅外科學(xué)檔案館，因此，其職業(yè)生涯中捕獲到的最后一張加州星云圖，無疑是對(duì)其團(tuán)隊(duì)的最好致敬。

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【斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡工程團(tuán)隊(duì)】

斯皮策：與眾不同的紅外天眼

斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡，以太空望遠(yuǎn)鏡概念的提出者、可控核聚變?cè)O(shè)備仿星器（stellarator）發(fā)明者、美國(guó)天文學(xué)家、理論物理學(xué)家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer, Jr.）的名字命名。

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但實(shí)際上，萊曼·斯皮策的名字卻常常與 NASA 的另一架望遠(yuǎn)鏡哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope，HST）同時(shí)出現(xiàn)在大眾視野，一生以以空間望遠(yuǎn)鏡為事業(yè)的萊曼·斯皮策甚至被稱為“哈勃望遠(yuǎn)鏡之父”：

1946 年，萊曼·斯皮策在一篇題為《在地球之外的天文觀測(cè)優(yōu)勢(shì)》的論文中明確提出把望遠(yuǎn)鏡放入太空以消除地球大氣層遮蔽效應(yīng)的建議，這可以說是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)方案的最初構(gòu)想。
1962 年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院在一份報(bào)告中推薦將空間望遠(yuǎn)鏡做為未來太空計(jì)劃的一部分，隨后在 1965 年，美國(guó)建立了一個(gè)旨在建造空間望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)委員會(huì)，萊曼·斯皮策被任命為主任委員；
1980 年初，不久后將要發(fā)射的空間望遠(yuǎn)鏡被命名為哈勃，以紀(jì)念 20 世紀(jì)初期發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的天文學(xué)家艾德溫·哈勃；
1990 年 4 月 24 日，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射。

雷鋒網(wǎng)了解到，不斷刷新人類對(duì)宇宙的認(rèn)知的，除了大名鼎鼎的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，NASA 發(fā)射的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡、康普頓太空望遠(yuǎn)鏡和錢德拉 X 射線太空望遠(yuǎn)鏡也同樣功不可沒，他們甚至被稱為太空望遠(yuǎn)鏡中的“四大天王”。

其中，斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的與眾不同，也許從出場(chǎng)方式開始就有所顯現(xiàn)：

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡：1990 年被發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)送上太空；
康普頓太空望遠(yuǎn)鏡：1991 年被亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)送上太空；
錢德拉 X 射線太空望遠(yuǎn)鏡：1999 年被哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)送上太空；
斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡：原本要搭載升空的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)于 2003 年 2 月 1 日在美國(guó)得克薩斯州北部上空解體墜毀，7 名宇航員全部遇難，因此于同年 8 月發(fā)射的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡并未搭載任何航天飛機(jī)。

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【哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)】

值得一提的是，其運(yùn)行軌道非常獨(dú)特，始終位于地球背面，與地球保持同樣的角速度繞太陽旋轉(zhuǎn)。這一巧妙的設(shè)計(jì)使得該望遠(yuǎn)鏡免受太陽直射，相當(dāng)于為望遠(yuǎn)鏡提供了一個(gè)天然冷卻源，從而少攜帶一些液氦，不僅減輕了自重，也節(jié)省了成本。

此外，斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡總長(zhǎng)約 4.45 米，重量為 950 千克，主鏡口徑 85 厘米，包括 3 臺(tái)觀測(cè)儀器：

紅外陣列相機(jī)（IRAC），大小為 256×256 像素，在 3.6、4.5、5.8、8 微米四個(gè)波段工作；
紅外攝譜儀（IRS），由 4 個(gè)模塊組成，分別工作在 5.3-14 微米（低分辨率）、10-19.5 微米（高分辨率）、14-40 微米（低分辨率）、19-37 微米（高分辨率）；
多波段成像光度計(jì)（MIPS），在遠(yuǎn)紅外波段工作，由 3 個(gè)探測(cè)器陣列組成，大小分別為 128×128 像素（24 微米）、32×32 像素（70 微米）、2×20 像素（160 微米）。

根據(jù)上述配置不難看出，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的最大特點(diǎn)便是「紅外觀測(cè)」。

實(shí)際上，向太空發(fā)射紅外觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡，對(duì)進(jìn)一步了解銀河系核心、恒星演化、系外行星等意義非凡。

一方面，不少天體（如暗星云、星際塵埃、褐矮星、紅移星系）不能發(fā)出可見光、只能發(fā)出紅外線光譜，只能靠紅外天文觀測(cè)；另一方面，由于星際塵埃、氣體等對(duì)可見光的阻擋，地球上無法直接觀測(cè)到銀河系中心區(qū)域。

斯皮策退役背后

原本計(jì)劃執(zhí)行至少 2.5 年主要任務(wù)的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡，最終運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其設(shè)計(jì)壽命。

最好的致敬！NASA 斯皮策望遠(yuǎn)鏡服役 16 余年后完成使命，最后一張星云圖曝光

由此可見，NASA 宣布斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡退役，其實(shí)也在情理之中。

據(jù)悉，2009 年 5 月 15 日，斯皮策望遠(yuǎn)鏡自帶的冷卻劑耗盡，遠(yuǎn)紅外波段觀測(cè)因此停止。這是由于，只有在溫度低于零下 268°C（5.5K）時(shí)，遠(yuǎn)紅外觀測(cè)效果才最佳。

面對(duì)這一問題，NASA 和加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)實(shí)際上也無可奈何——斯皮策望遠(yuǎn)鏡處于一個(gè)環(huán)日軌道上，由地球引力牽引，以每年 0.1 個(gè)天文單位（1500 萬公里）的速度遠(yuǎn)離地球，好在其紅外陣列相機(jī)的 4 個(gè)攝像頭中還剩 2 個(gè)可以準(zhǔn)確捕獲圖像并精準(zhǔn)傳回。

實(shí)際上，NASA 也曾官方回應(yīng)過斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡退役的原因：

斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡繞太陽運(yùn)行的軌道跟地球相似，不過運(yùn)行速度略慢一些。目前（2019 年 6 月）它在地球后面大約 2.54 億公里的地方運(yùn)行，是地球跟月球距離的 600 多倍。這個(gè)距離，再加上它的軌道曲線，意味著當(dāng)望遠(yuǎn)鏡將固定天線指向地球下載數(shù)據(jù)或接收指令時(shí)，它的太陽能電池板就會(huì)遠(yuǎn)離太陽。在這段時(shí)間里，望遠(yuǎn)鏡必須依靠太陽能和電池的結(jié)合才能運(yùn)行。也就是說，如果不是因?yàn)橥h(yuǎn)鏡和地球之間的距離持續(xù)增長(zhǎng)，繼續(xù)運(yùn)行并不成什么問題。

不過，雖然斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的使命結(jié)束了，但它為預(yù)計(jì)于 2021 年 3 月發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)任務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。