NASA 史匹哲望遠鏡服役 16 餘年完成使命,最後一張星雲圖曝光

作者 | 發布日期 2020 年 04 月 22 日 11:41 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


在未知迷霧裡探索 16 餘年的「行星獵人」,留下最後一張作品後退休了。

美國時間 2020 年 3 月 17 日,美國國家航空暨太空總署(NASA)公布史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope,SST)退役前擷取的最後一張馬賽克照片。

身為 NASA 發射的四大太空望遠鏡之一,史匹哲太空望遠鏡於 2003 年 8 月 25 日發射,2020 年 1 月 25 日最後拍到加州星雲(California Nebula)影像,於 2020 年 1 月 30 日正式退役。

加州星雲:最好的致敬

宇宙除行星、彗星外幾乎所有延展型天體都屬於星雲(Nebula),由氣體和塵埃組成。根據發光性質,星雲可分為發光氣體雲、發射星雲、反射星雲及暗星雲。

其中「發射星雲」(Emission nebula)可簡單理解為由星際氣體組成、會發光的雲。發射星雲附近的恆星發出的紫外線會電離星雲的氫氣(HⅡ regions)等,造成發光現象──星雲的色彩取決於化學組成和游離量,由於星際氣體大部分都是只要較低能量就能游離的氫,所以不少發射星雲都呈紅色。如果有更高能量電離其他元素,那麼綠色、藍色都可能出現。

而史匹哲太空望遠鏡最後擷取的「加州星雲」便是發射星雲。

長約 100 光年的加州星雲因與美國加州外觀相似得名,又名 NGC 1499,和太陽系一樣位於銀河系獵戶座臂上,兩者相距 1,500 光年。

據以前拍到的影像顯示,加州星雲有明顯紅色光芒,這是氫原子電離掉一個電子後又「失而復得」,進而輻射出來的光。

史匹哲太空望遠鏡拍到的加州星雲影像,兩側紅色和藍色帶代表兩種不同波長的光,灰色區域顯出兩種波長。

史匹哲太空望遠鏡隸屬 NASA 和加州理工學院,主要由加州理工學院史匹哲科學中心管理營運,資料存檔在加州理工學院 IPAC 的紅外科學檔案館,因此它職業生涯擷取的最後一張加州星雲圖,無疑是對團隊的最好致敬。

▲ 史匹哲太空望遠鏡工程團隊。

史匹哲:與眾不同的紅外線天眼

史匹哲太空望遠鏡以太空望遠鏡概念的提出者、可控核聚變裝置仿星器(stellarator)發明者、美國天文學家、理論物理學家萊曼‧史匹哲(Lyman Spitzer, Jr.)之名命名。

但萊曼‧史匹哲卻常與 NASA 另一架名太空望遠鏡哈伯(Hubble Space Telescope,HST)同時出現在大眾視野,一生以太空望遠鏡為事業的萊曼‧史匹哲,甚至被稱為「哈伯望遠鏡之父」:

  • 1946 年,萊曼‧史匹哲在題為《地球之外的天文觀測優勢》論文,明確提出將望遠鏡放在太空以消除地球大氣層遮蔽效應的建議,這可以說是哈伯太空望遠鏡的最初構想。
  • 1962 年,美國國家科學院報告建議,將太空望遠鏡當成未來太空計畫的一部分,隨後 1965 年,美國建立了旨為建造太空望遠鏡的科學委員會,萊曼‧史匹哲任命為主任委員。
  • 1980 年初,不久後發射的太空望遠鏡命名為哈伯,以紀念 20 世紀初期發現宇宙膨脹的天文學家艾德溫‧哈伯。
  • 1990 年 4 月 24 日,哈伯太空望遠鏡發射。

不斷清除人類對宇宙的認知,除了大名鼎鼎的哈伯太空望遠鏡,NASA 發射的史匹哲太空望遠鏡、康普頓太空望遠鏡和錢卓拉 X 射線太空望遠鏡也同樣功不可沒,甚至並稱為太空望遠鏡的「四大天王」。

其中,史匹哲太空望遠鏡的與眾不同,也許從出場方式就可見一斑:

  • 哈伯太空望遠鏡:1990 年由發現號太空梭送上太空。
  • 康普頓太空望遠鏡:1991 年由亞特蘭提斯號太空梭送上太空。
  • 錢卓拉 X 射線太空望遠鏡:1999 年由哥倫比亞號太空梭送上太空。
  • 史匹哲太空望遠鏡:原本負責搭載的哥倫比亞號於 2003 年 2 月 1 日在美國德州北部上空解體墜毀,7 名太空人全部罹難,因此同年 8 月發射的史匹哲太空望遠鏡並未搭載於任何太空梭。

▲ 哥倫比亞號第一次出任務。(Source:NASA / Public domain)

史匹哲的運行軌道非常獨特,始終位於地球背面,與地球保持同樣的角速度繞太陽旋轉。這巧妙設計使望遠鏡免受太陽直射,等於為望遠鏡提供天然冷卻源,可少攜帶液態氦,不僅減輕負重,也節省成本。

此外,史匹哲太空望遠鏡總長約 4.45 公尺,重量為 950 公斤,主鏡直徑 85 公分,包括 3 台觀測儀器:

  • 紅外陣列相機(IRAC),256×256 畫素,在 3.6、4.5、5.8、8 微米四波段工作。
  • 紅外攝譜儀(IRS),由 4 個模組組成,分別工作在 5.3~14 微米(低解析度)、10~19.5 微米(高解析度)、14~40 微米(低解析度)、19~37 微米(高解析度)。
  • 多波段成像光度計(MIPS),在遠紅外線波段工作,由 3 個探測器陣列組成,大小分別為 128×128 畫素(24 微米)、32×32 畫素(70 微米)、2×20 畫素(160 微米)。

根據規格不難看出,史匹哲空間望遠鏡的最大特點便是「紅外線觀測」。

向太空發射紅外觀測望遠鏡,對進一步了解銀河系核心、恆星演化、系外行星等意義非凡。

一方面,不少天體(如暗星雲、星際塵埃、棕矮星、紅移星系)無法發出可見光,只能發出紅外線光譜,只能靠紅外線天文觀測;另一方面,由於星際塵埃、氣體等會阻擋可見光,地球無法直接觀測到銀河系中心區域。

史匹哲退役幕後

原本計劃執行至少 2.5 年工作的史匹哲太空望遠鏡,最終執行時間遠遠超出設計壽命。故 NASA 宣布史匹哲太空望遠鏡退役,也在情理之中。

2009 年 5 月 15 日,史匹哲望遠鏡攜帶的冷卻劑耗盡,遠紅外線波段觀測因此停止,這是因只有在溫度低於 -268°C(5.5K)時,遠紅外線觀測效果最佳。

NASA 和加州理工學院團隊對此也無可奈何──史匹哲望遠鏡處於環日軌道,由地球引力牽動,以每年 0.1 個天文單位(1,500 萬公里)的速度遠離地球,好在紅外陣列相機的 4 個鏡頭還剩 2 個能準確擷取影像並傳回。

NASA 也曾回應史匹哲太空望遠鏡退役的原因:

史匹哲太空望遠鏡繞太陽的軌道跟地球相似,不過速度略慢一些。目前(2019 年 6 月)在地球後約 2.54 億公里,是地球跟月球距離的 600 多倍。這個距離,再加上軌道曲線,意味著當望遠鏡將固定天線指向地球下載資料或接收指令時,太陽能電池板就會遠離太陽。這段時間裡,望遠鏡必須依靠太陽能和電池結合才能運行。也就是說,如果不是因望遠鏡和地球的距離一直增加,它也不必退役。

不過,雖然史匹哲太空望遠鏡的使命結束了,但預計為 2021 年 3 月發射的詹姆斯‧韋伯太空望遠鏡的觀測工作打下堅實的基礎。

史匹哲宇宙時代:宏大絢麗

相比哈伯望遠鏡,史匹哲太空望遠鏡雖沒沒無聞,但身為人類送入太空的最大紅外線望遠鏡、大型軌道天文台計畫的最後一台太空望遠鏡,的確碩果累累。

最後,讓我們再次欣賞「史匹哲時代」撼動人心的作品。

▲ 銀河系最大的超新星遺跡之一。

▲「宇宙巨眼」螺旋星雲。

▲ 第一次直接觀測到系外行星。

▲ 探測到最遠的行星,距離地球約 13,000 光年。

▲ 離土星約 600 萬公里的土星環。

▲ 首次在一顆瀕臨死亡的恆星周圍發現富勒烯。

▲ 首次辨識出系外行星大氣分子成分。

▲ 迄今兩個最遙遠的超大質量黑洞,距離我們約 130 億光年。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;圖片來源:NASA)

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