找寻宇宙的热量

    <p align="center">William H. Waller<br /> 译自<i>Sky and Telescope</i>, Vol.105, No.2 (2003)</p> <i>NASA的最后一座大天文台正准备去革新人类对宇宙认识——就象它的姊妹曾经做过的那样</i><a></a></></p> <p>经过25年的孕育，NASA的空间红外望远镜（Space Infrared Telescope Facility, SIRTF）整装待发，即将踏上它那极具创新色彩的探宇征途。这座自动天文台能够窥测其他望远镜不曾看到的地方，并将以前所未有的高分辨率去巡视红外天空。</p> <p>任何温度高于几开尔文的天体都可能成为SIRTF的观测目标。在这架望远镜的待测天体清单上，与恒星不很相象的褐矮星、恒星形成区中被尘埃遮盖的早期行星系、含有不发光尘埃和有机分子的大质量气体云，以及能追溯到宇宙诞生早期的原星系占据了很重要的地位。谁又清楚有多少种未知天体躲避了400年的望远镜观测呢？</p> <p align="center"> <img src="https://www.dprenvip.com/wp-content/uploads/2021/03/20210313_604c4bc1eec19.jpg" alt="找寻宇宙的热量" /> <img src="https://www.dprenvip.com/wp-content/uploads/2021/03/20210313_604c4bc20bb26.jpg" alt="找寻宇宙的热量" /></p> <p align="center"><b>左图：</b>Sky and Telescope杂志的封面，前景即为SIRTF，背景是红外波段的猎户大星云（M42）。本文为该期的封面文章。</p> <p align="center"><b>右图：</b>SIRTF结构示意，底部有高增益天线；蓝色的为液氦罐；其上的棕色部分是仪器舱，内有MIPS、IRS和IRAC三架仪器；灰色柱体为望远镜；太阳能电池板在侧面。它有4米高、865千克重。</p> <p>　</p> <p><b>最后一座大天文台</b></p> <p>SIRTF标志着NASA的大天文台(Great Observatory)计划达到了顶峰。大天文台包括四架独立建造的空间望远镜，用以研究天文学几个最基本的问题：宇宙、星系，还有太阳系是如何起源的？它们又将如何终结？每座大天文台在电磁波谱的不同波段工作，按照最初的设想，它们将同时在轨观测。</p> <p>1990年4月，发现号航天飞机将货物舱中搭载的哈勃空间望远镜送入轨道，标志着第一座大天文台正式登场。经历了一段曲折的开端后，10年来哈勃对可见光和紫外天文学作出的重大贡献足以使科学家们和社会公众欣喜。</p> <p>康普顿伽玛射线天文台于1991年4月由亚特兰蒂斯号航天飞机携带升空。在将近10年的观测中，它揭示了伽玛射线暴、脉冲星、黑洞的秘密。之后，航天器上的一个陀螺仪失灵了。如果第二个陀螺仪再失灵，这颗17吨重的卫星将彻底失控。为了避免卫星在大气层中燃烧后的残片到处撒落，NASA已在2000年6月让康普顿重返地球，落入太平洋。</p> <p>1999年，该计划的第三架望远镜，钱德拉X射线天文台由哥伦比亚号航天飞机发射，并被助推火箭送入更高的轨道。从那时起，它利用其超高分辨率，送回了关于黑洞周围X射线环境、类星体，甚至是行星、彗星这样的近距离天体的珍贵信息。与哈勃类似，除非遇到什么技术故障或预算困难，钱德拉可以再留轨10年。</p> <p>用于红外观测的SIRTF险些胎死腹中。20世纪90年代NASA的预算被削减时，该项目所需经费却飞涨到了20亿美元。SIRTF的研究组面临一个严峻的挑战：要么将开支减少一半以上，要么就取消计划。为了节约资金，科学家和工程师们重新设计了航天器、望远镜和其他仪器，以使SIRTF可以被比航天飞机便宜得多的德尔他火箭发射升空。牺牲了几项科研性能后，SIRTF从“预算吞噬者”变成了一个开支相对较低（7.2亿美元）的项目。它将为下一代红外空间望远镜，如接替哈勃的詹姆斯·韦布空间望远镜铺平道路。</p> <p>　</p> <p><b>红外线的优势</b></p> <p>就在你阅读这段文字的时候，你温暖的身体正以100瓦特的功率向外辐射能量。这种“亮度”大部分以红外线——也就是波长10微米电磁波——的形式放出。假设你的体温是现在的10倍，那么蒸汽笼罩之下的你将以更短（大约1微米）的波长放出能量。在人类的眼中，你发出的是暗淡的红光。相反，如果你的体温只有正常值的十分之一，你被冻僵的身体辐射出的电磁波能量更少，波长更长——约100微米，与头发丝直径类似。而波长几微米到几百微米的电磁波正是SIRTF施展才能的天地。</p> <p align="center"><img src="https://www.dprenvip.com/wp-content/uploads/2021/03/20210313_604c4bc21f760.jpg" alt="找寻宇宙的热量" /></p> <p align="center"><b>上图：</b>2微米巡天计划（Two Micron All Sky Survey, 2MASS）获得的银河系全景图。该图记录下了1亿颗恒星，右下方的斑点是大麦哲伦云。红外线的天空正是SIRTF的舞台。</p> <p>1800年，威廉·赫歇尔首先发现了红外线。他使日光通过三棱镜发生色散后发现，红光区以外的部分像熟悉的红、黄、蓝光一样，能明显使温度计升温。但是，直到20世纪60年代，低温检波器出现后，红外天文才真正走向成熟。降温是必需的，因为室温下的检波器本身会辐射大量的能量，这足以湮没来自宇宙的微弱信号。最初的致冷剂是干冰（-78.5°C），之后是液氮（-196°C），现在则一般采用液氦（-269°C，即4K）。随着冷却技术的发展，天文学家可以建造高灵敏度的检波器，以探察从太阳系中的彗星到宇宙边缘的星系所发出的微弱红外信号。</p> <p>但是，由于水蒸气和二氧化碳的吸收作用，地球大气层对红外波段的相当一部分是不透明的。直到现在，地面观测只能在1.25、1.65、2.20和3.45微米这几个近红外“窗口”进行，因此大受限制。SIRTF能够在波长3微米以上的红外波段工作，从而拓展了红外观测的范围。</p> <p>天文学家们利用中红外线（波长5至25微米）探索星系内外的星际尘埃。发出中红外光的尘粒大约有香烟的烟雾那么小。人们认为它们的主要成分是硅，并夹杂有少量被冰覆盖的石墨粒。它们也是阻碍人类对银心进行可见光观测的罪魁祸首。但在中红外波段，阻碍作用明显减小了。在浓密的尘埃后面，天文学家发现了埋藏于气体云中的原恒星，还有隐藏在富含气体、尘埃的星系中的无数星体。</p> <p>象多环芳香烃（PAHs）这样的有机分子也辐射着明亮的中红外光。人们知道，这些以苯环为基础的复杂分子在高温、强辐射的条件下是很稳定的。20世纪90年代，欧洲空间局红外空间天文台（Infrared Space Observatory, ISO）的观测结果显示，PAHs在星际空间几乎无所不在。电离氢（HII）区域——如猎户大星云（M42）和像天琴座环状星云（M57）这样的行星状星云——是PAHs的中红外辐射集中之处。SIRTF将更清晰地观察这些能快速产生有机分子的星云温床。</p> <p align="center"> <img src="https://www.dprenvip.com/wp-content/uploads/2021/03/20210313_604c4bc233207.jpg" alt="找寻宇宙的热量" /> <img src="https://www.dprenvip.com/wp-content/uploads/2021/03/20210313_604c4bc240034.jpg" alt="找寻宇宙的热量" /></p> <p align="center"><b>上图：</b>分别用红外光（左）和可见光（右）拍摄的著名星云——天琴座环状星云的照片。从这个例子中我们可以看到多波段研究的优势：在2微米红外线照片中，蓝色的中央星几乎不可见；但隐藏在尘埃云后面的星体比在哈勃拍摄的可见光图象中所见清晰多了。</p> <p>远红外（波长25至几百微米）的天空被星际空间寒冷的尘埃云支配。80年代红外天文卫星（Infrared Astronomical Satellite, IRAS）发现，这种尘埃云遍布宇宙。和大多数产星星系一样，我们的银河系中也弥漫着辐射远红外线的尘埃。实际上，一些星系的远红外辐射占据了其能量的大部分。这些“极亮红外星系（Ultraluminous infrared galaxies, ULIRGs）”属于宇宙中能量最强的天体。人们认为在这些被尘埃覆盖的星系中，恒星正狂暴地形成着。在某些ULIRGs的中心，可能隐藏有吞噬着周围恒星和星云物质的特大质量黑洞。由于ULIRGs是如此活跃，它们可以在很远处被发现。SIRTF可望在远至140亿光年的范围内勘察ULIRGs。这样做可以为我们在整个宇宙时间范围内研究这些极端活跃的星系提供线索。</p>     <p><span style="font-size: 13px; color: rgb(127, 127, 127);">内容来自&nbsp;<a rel="nofollow noopener" href="http://bzhang.lamost.org/" target="_blank" style="color: rgb(127, 127, 127); text-decoration: underline;"><span style="font-size: 13px; color: rgb(127, 127, 127);">Bo Zhang&#39;s Homepage</span></a></span>

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