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太空望远镜开普勒“退休” 斯皮策将接任

2013年10月23日 10:21
来源:中国科学报

近日,有媒体报道,自从开普勒太空望远镜被确认无法修复后,美国航空航天局的科学家们正在研究如何将10年前服役的“古董”——斯皮策太空望远镜改造成系外行星探测器,以接替“开普勒”的岗位,继续对系外行星进行搜寻,力求在下一个10年内发现位于可居住带上的岩质行星。

斯皮策太空望远镜究竟为何物,美国航空航天局为何对它青睐有加,用“斯皮策”接替“开普勒”需不需要进行改造,存在哪些困难?带着这些问题,记者采访了相关专家。

—— 老当益壮 ——

探测太阳系外行星“斯皮策”不是门外汉

“‘斯皮策’可不是‘老古董’,它是当今可以与哈勃太空望远镜媲美的探测宇宙奥秘的四大天王之一。”听到有人称“斯皮策”是“老古董”,北京大学天文系教授吴鑫基赶紧纠正说。

吴鑫基进一步解释道,这探测宇宙奥秘的“四大天王”分别是哈勃太空望远镜(可见光、紫外和近红外)、康普顿γ射线天文台、钱德拉X射线天文台和斯皮策红外太空望远镜,它们彼此的观测波段不同,具有各自的优势。对探测太阳系外行星来说,“斯皮策”不是门外汉,而是已经做出很大贡献的“行家里手”。

2003年,美国航空航天局将斯皮策太空望远镜发射升空。望远镜总重865千克,镜身长4.45米,直径约2米,主镜是一个直径85厘米的透镜,在其上面配有3台观测仪器,分别是红外阵列照相机、红外摄谱仪和多波段成像光度计。

“这是人类送入太空的最大的红外望远镜。”吴鑫基说,所谓红外,说的是望远镜能够探测到目标发出的红外辐射。“斯皮策”的红外探测灵敏度极高,波长在3微米至180微米之间的红外辐射都能尽收“眼”底。而这个波段因其范围内的辐射抵达地面时会被地球大气层阻挡,一向是地面望远镜的“盲区”。因此,“斯皮策”能探测到宇宙中那些难以感知到的天体,比如一些暗淡的小型恒星。与光学天文观测设备相比,“斯皮策”的红外之眼能够穿透尘埃、气体,看到其背后隐藏的无限奥秘。

“斯皮策”成功的秘密在于它的设计。它可以把望远镜的照相机和摄谱仪都维持在-272℃的低温,这样一来这些电子探测器在红外波段就可以达到它们的最大灵敏度。为此,“斯皮策”上的仪器都被安放在了一个装有液氦冷却剂的容器之上。同时“斯皮策”所采用的新技术也将其与会干扰观测的外界热源隔绝开来。

例如,“斯皮策”装在一侧的太阳能电池板和绝热罩总是对准太阳,保证望远镜时刻都在阴影之中。“斯皮策”尾随地球的轨道也使得它与地球散发出的热量保持了一定的距离。而望远镜的物理设计也利用了空间环境天然的制冷作用。由此“斯皮策”每天只需要使用28克液氦就能维持仪器所需的工作温度。

“它当时设计的最短寿命为2.5年,目标寿命在5年以上。如今服役已经超过10年,依然在工作中。”吴鑫基说。

—— 雀屏中选 ——

只因与“开普勒”观测波段基本相同

有人说,既然同为四大天王,为什么偏偏选中“斯皮策”,而不用名气更大的哈勃太空望远镜接替“开普勒”呢?

“‘斯皮策’和‘开普勒’的观测波段基本相同,这是其他太空望远镜无法与之比拟的。”吴鑫基一语中的。

光学望远镜在探索太阳系外行星方面的努力是从可见光波段开始,逐渐向红外波段发展,红外波段在观测发现太阳系外行星方面具有天然的优势。“而‘哈勃’仅能在近红外波段进行观测,尽管它已发现不少重要的系外行星,但总体能力远不及‘开普勒’,不可能替代‘开普勒’。”吴鑫基说。

尤其值得一提的是,“斯皮策”上天10年,可谓硕果累累。尤其是前5年,在超低温条件下工作,成绩更是辉煌。

2009年8月,天文学家利用“斯皮策”发现一颗围绕年轻恒星运行的行星曾与另一颗较小行星在数千年前发生猛烈相撞的证据,如相撞过程中由蒸发的岩石和熔岩残余物形成的烟柱,以及行星上留下的很深的凹痕。

这一年,它还发现了首个“富碳”系外行星WASP-12b,这个行星的体积是木星的1.5倍,离母恒星很近,温度很高。其碳含量高于氧含量,而一般系外行星的碳含量只有氧的一半。

2010年3月,有研究人员利用斯皮策太空望远镜发现了两个最小的类星体,分别是J0005-0006类星体和J0303-0019类星体,距离地球130亿光年。

另外,“斯皮策”还能穿透星系中的尘埃,发现处在星系中央核球中的特大质量黑洞。科学家原本认为没有核球的星系中央是没有大质量黑洞的,可是“斯皮策”的观测否认了这个看法。其观测了32个核球较小或者没有核球的星系,发现其中有7个拥有黑洞,且质量很大。

—— 大有可为 ——

两大方式助“斯皮策”观测系外行星

有科学家对斯皮策太空望远镜能否胜任研究系外行星的工作表示怀疑。

对此,吴鑫基介绍说,其实“斯皮策”的本领不容小觑,它的作用很大:首先,可以发现和研究河外星系。有些河外星系红外波段辐射很强而可见光辐射却很弱,这最适合“斯皮策”观测。“斯皮策”较

高的灵敏度对遥远星系的观测也显示出巨大的优越性,能揭示早期宇宙图景。

其次,它可以寻找太阳系之外的行星。由于行星只是反射其母星的光,其体积远比母星小,且在可见光波段行星比它的母星要暗100亿倍。但是,有些比较年轻的行星的红外辐射比较强,而它们的母星的红外辐射又相对弱一些,所以行星与母星的红外强度之比就不像可见光波段那么悬殊。因此,用“斯皮策”在红外波段比可见光波段发现行星要容易得多。

此外,通过观察恒星周围不同演化阶段的尘埃盘,得出有关行星形成的过程,这个工作在可见光波段也很难完成,因为尘埃的遮挡使人们看不清那里发生了什么事情。而红外观测则能够穿透尘埃的阻挡,揭示出里面的奥秘。

在吴鑫基看来,用“斯皮策”探索发现系外行星主要应靠间接方法,即检测行星对母恒星造成的微小影响来判断行星的存在和质量或大小。其中最有效的两个方法是晃动法和凌星法。

晃动法的基本原理是:行星绕恒星运动,实际上是行星和恒星都围绕它们的质量中心转动,只是恒星绕行的轨道半径非常小。

“这导致恒星有时是离我们而去,有时则向我们而来,也就是晃动起来。由于晃动,这颗恒星的光谱有时稍微有点红移(波长变长),有时稍微有点紫移(波长变短)。通过光学天文望远镜的光谱分析法可以测量出光谱的变化,从而发现恒星的晃动,进而根据晃动的情况估计出行星质量的大小。”

凌星是行星从母恒星前面经过时的现象,其对母恒星的遮挡导致恒星光度变化。测出凌星过程发生的行星对母恒星局部遮掩所发生的光度的变化,即光变曲线,就可以推算出行星的遮挡面积,估计出行星的大小。

—— 精益求精 ——

真正“接班”观测程序还需调整

尽管斯皮策太空望远镜有着非常出色的稳定性,但是有专家认为观测过境行星依然存在困难,恒星光线在行星过境时出现的周期性变化可能干扰望远镜的工作模式,使得测量系外行星的任务变得棘手。

对此,吴鑫基认为,“开普勒”是专用的检测行星的设备,其采用凌星法能够检测出光度微小的变化。像地球这样大小的行星从母恒星前面经过所造成的亮度变化,相当于一只很小的跳蚤飞过汽车大灯时造成的影响。“开普勒”所携带的探测器可以把这种微小的亮度变化检测出来,能力非常强。

而“斯皮策”携带了红外阵列照相机、红外摄谱仪和多波段成像光度计,具备应用晃动法和凌星法来探测系外行星的能力,同时还具备探测行星大气成分及温度的能力。但就凌星法探测系外行星来说,其灵敏度比“开普勒”要差一些。“开普勒”具有口径达到95厘米,像素为9500万的CCD相机,这是迄今为止在太空中工作的最大的相机。而“斯皮策”的红外相机就要差一些。

另外,其观测模式也不同。“开普勒”对准一个天区,细致并反复进行观测。而“斯皮策”的观测则是全天性的,至少要在观测程序上进行调整。

“当然,如果可能,对‘斯皮策’进行一些技术改造,以提高其探测行星的能力就再好不过了。至于能进行哪些改造,要等美国航空航天局的科学家们经过仔细研究后才能弄清楚。只是‘斯皮策’已经离我们很远了,实行大的改造措施比较困难。”

但让吴鑫基欣慰的是,尽管“斯皮策”上天已经超过10年,到2009年所携带的“冷却剂”已经耗尽。但由于它本身反射并驱散多余热量的能力可以使它的温度满足其红外照相机阵列4个通道中的两个正常运转,2012年,“斯皮策”依然发现了系外行星。

[责任编辑:杜苗] 标签:斯皮策 望远镜 开普勒
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