CALISTO：远红外空间望远镜的设想

由于大气中的水蒸汽会吸收来自天体的红外辐射，相当一部分重要的红外观测都是在太空中进行的。当前仍旧在工作中的斯皮策空间望远镜以及若干年后即将升空的詹姆斯·韦布空间望远镜都是红外空间天文观测的翘楚，它们的开发背景也正是为了回避大气的吸收。不过这些已有或即将入役的仪器重点大抵是中近红外观测，在波长大于25微米的远红外波段，它们的性能就要下降很多了。但是为了全面研究宇宙的演化和产星历史，远红外波段又是不得不提的。这一波段（连带亚毫米波）主要是由尘埃贡献的。宇宙尘埃遍布成分以气体云为主的产星区，它们在可见光波段遮掩了形成中的年轻恒星。但是这些被星光加热的温热尘埃转而会发出红外热辐射，从而透露产星区肉眼不可见的结构。再考虑红移效应，说整个宇宙中的星系辐射能以远红外为主也不为过，宇宙红外背景辐射的峰值也落在了远红外150微米波段处。更不要提的是哪怕在银河系之内，日后会诞生恒星的分子云核以及年轻恒星周围的原行星盘等重要研究对象由于自身温度较低，大抵也是以远红外辐射的形式冷却的。远红外天空一瞥：玫瑰星云附近形成中的恒星。（图片提供：ESA/Herschel/PACS/SPIRE）远红外波段的重要性固然很高，但要实现该波段的高精度光谱观测却并非易事。首先发出这一波段的辐射的天体温度都非常低，因此整台望远镜以及相关探测器都需要保持极低的温度。其次由于远红外辐射波长较长，同样口径的望远镜在该波段分辨率要差很多，换句话说为了观测到与中近红外或光学相当的细节，望远镜也必须造得更大。当然，探测器的灵敏度也必须保持高水平，才能研究宇宙学距离上的远红外源。欧洲空间局的赫歇尔天文台就专注于远红外观测，它的主镜口径至今仍是所有空间望远镜中最大的，达到了3.5米。但就算如此，其上探测器的灵敏度还是不足以直接展现很多遥远星系的细节，而且由于致冷剂耗尽的缘故，两年多之前它就已经退役了。最近公布的低温远红外/亚毫米波空间望远镜白皮书是应NASA宇宙起源计划的要求撰写的，其在前辈空间卫星以及近年探测器技术发展的基础上，提出了5米级空间望远镜CALISTO的设想。这架望远镜的规划始于2005年到2008年间，进展顺利的话，它将于21世纪的下一个10年发射，预定在日地系统第二拉格朗日点运行5年，在极低的工作温度上使用超导探测器获得与天文背景本底相当的灵敏度。如果最终得到了批准，CALISTO必将为红外天文学带来革命性的飞跃。CALISTO旨在填补詹姆斯·韦布空间望远镜中红外仪器MIRI（上限为28微米）以及地面观测窗（下限为600微米左右）之间的空白，覆盖波长35到600微米的长波波段，并在此波段上进行宽波段、高灵敏度、中等谱分辨率的点源观测和测绘工作。为了达到这一目标，望远镜本体的设计凸显了大集光面积、低本底和高效率几大要素。CALISTO望远镜的概念图。（图片来源：Bradford et al. 2015）为了降低单位集光面积的开支，CALISTO采用了单镜面设计（而非詹姆斯·韦布望远镜的拼接式），初步定下的主镜材料是热力学性能优良且有过应用先例的碳化硅（也非詹姆斯·韦布的金属铍）。为了应付现有的5米火箭整流罩限制，上图中的主镜实际上是4乘6米的椭圆。由于工作波长较长，望远镜口径虽大，但对精度的要求并不如可见光设备那样苛刻，达到1微米即可。为了应付远红外观测的需要，望远镜本体要保持4开尔文以下的低温，某些仪器更是要降低到几十毫开尔文。望远镜与全部探测器都是使用闭环主动致冷技术降温的，以液氦为致冷剂，同时还结合了多级V形沟槽辐射器被动降温装置。当然，为了保证冷却效率，望远镜支架也绝不可以具有较好的热传导性能。由于现在这一计划刚刚提出，具体的光学系统和致冷元件结构还有待近年进行具体规划，不过技术方面的要求都还是处在当前技术的掌控范围内的，探测器本身数十毫开尔文的致冷也已经有了其他卫星的应用先例，并不存在不可逾越的障碍。CALISTO的科学仪器包括5到8台中等分辨率的宽波段光谱仪，可以完整覆盖观测波段。探测器的总像素量级在10万左右，每个频段都可以使用数十到200个像素（作为比较，赫歇尔望远镜的远红外像素总数量是3686个）。配合不同波段的光谱观测，望远镜计划使用一阶阶梯光栅、波导光谱仪以及超导芯片光谱仪三种分光技术，分别对应200微米以下、200微米以上以及波长最长的波段。虽然仪器具体的结构和安排尚未得到详细的探讨，但大体可以确定的是，当前基于高Q值共振体的超导探测器是首选，尤其是使用薄膜微型共振体的动力学感应线圈探测器。这一技术可以大大简化仪器布线，从而让远红外像素总数大大提升。现在加州理工亚毫米波天文台的MAKO仪器已经使用了动力学感应线圈探测器技术，获得了接近光子噪声极限的超低背景。另外量子电容探测器也可以达到CALISTO的灵敏度目标，也在考虑范围之内。432像素MAKO探测器阵列（左）以及MAKO拍摄的图像（右）。（图片来源：Bradford et al. 2015）CALISTO的主要科学目标是凭借超高的灵敏度和高分辨率探测宇宙再电离期之初的尘埃分布、追踪宇宙产星史和黑洞演化史、测绘宇宙中远红外辐射的分布、找寻邻近星系中的水分，同时还要在我们的近邻区域研究银河系内行星的形成，通过原行星盘不同区域发出的一系列谱线来分析行星形成过程的每一个阶段。除了谱线观测之外，CALISTO也适宜进行连续谱巡天，描绘出星际尘埃的大尺度分布，并系统普查太阳系内的海外天体，为太阳系演化史的研究提供关键线索。现在初步估计的CALISTO开支大约是17亿美元，这其中包括望远镜及其致冷装置的建造、仪器相关费用以及5年任务期内的花销，不过详情还有待进一步的估算。这一数字比赫歇尔望远镜的11亿美元略高。另外2005年到2008年间进行CALISTO初步规划的喷气推进实验室X小组还考虑了廉价的选择，可以是减小望远镜口径，也可以缩减仪器，这样可以将预算降低到与赫歇尔相当的程度。无论如何，CALISTO的预算要比詹姆斯·韦布空间望远镜少很多。但是要知道詹姆斯·韦布望远镜当年申报时也声称只需10亿美元，随后的开支却连涨数倍，其他很多项目的经费因此被挤占，不得不暂缓甚至终止。个人只是希望如果CALISTO得到批准，千万不要像后者那样大肆排挤其他计划就好，毕竟远红外观测虽然意义深远，各波段均衡发展才更重要。内容来自 Bo Zhang's Homepage

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