被哈勃光芒掩盖的孤勇者们: 大型轨道天文台计划中的其它空间望远镜
发布时间:
2022-11-14 13:15
修改时间:
2022-11-09 09:34
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1990年4月24日,哈勃空间望远镜由发现号航天飞机搭载升空,开创了天文学研究的新时代。哈勃空间望远镜至今已工作了三十余年,任务期间带来了无数清晰度前所未有的可见光与近红外观测图像,帮助天文学家解决了大量科学难题并发现了许多新事物,堪称科技史乃至整个人类历史中的壮举。哈勃空间望远镜为科学研究做出了巨大的贡献,为人们对宇宙的认知带来了全新的视野,是人类高级科学研究设备的代表之一,因此它也在科普领域和大众流行文化中非常知名。然而,哈勃空间望远镜其实是大型轨道天文台计划的其中一台望远镜,该计划还有另外3台空间望远镜。这3台空间望远镜虽与哈勃空间望远镜在同一个计划中,但它们在大众甚至学界中的知名度却远远不如哈勃空间望远镜。
大型轨道天文台计划(Great Observatories)由美国国家航天局(NASA)研制的4台大型空间望远镜组成,分别是哈勃空间望远镜、康普顿伽马射线天文台、钱德拉X射线天文台和斯皮策空间望远镜。它们分别工作在不同的波段,每台空间望远镜都为各自的领域做出了重要的贡献。

图1  大型轨道天文台计划的4台空间望远镜

 

一、康普顿伽马射线天文台
康普顿伽马射线天文台(Compton Gamma Ray Observatory,CGRO)是NASA于1991年发射的一台伽马射线空间望远镜,是大型轨道天文台计划的第二台空间望远镜,它以在伽马射线领域做出重要贡献的美国物理学家康普顿的名字命名,目标是观测天体的伽马射线辐射。

图2  康普顿伽马射线天文台(CGRO)艺术渲染图

 

康普顿伽马射线天文台于1991年4月5日由亚特兰蒂斯号航天飞机搭载升空,运行在高度为450km的近地轨道上,以此避免范艾伦辐射带的影响。康普顿伽马射线天文台重约17吨,其中天文仪器重约7吨,在当时是由航天飞机发射的最重的民用航天器。
康普顿伽马射线天文台在轨期间分两次进行巡天,第一次巡天观测了M1蟹状星云、天鹅座X-1、天鹅座X-3、塞弗特星系NGC 4151等天体,第二次巡天包括银河系中心、超新星SN 1987A等,并在4年时间里发现了271个伽马射线源。在1991年CGRO观测了太阳的耀斑爆发,探测到了天鹅座X-3的1012电子伏的高能辐射、超新星SN 1987A的1015电子伏的辐射,发现了第四颗伽马射线脉冲星PSR1706-44,射电脉冲周期为102毫秒。在1997年CGRO发现了银河系中心附近能量为511 keV的正负电子湮灭产生的谱线,表明存在一个巨大的反物质喷流,并记录了约2500个伽马射线暴,发现它们在宇宙中的分布是各向同性的,支持了伽马射线暴是发生在宇宙学尺度上的爆发现象这一观点。人们根据它积累的观测资料将伽马射线暴以2秒为界分为长暴和短暴两类。在1999年CGRO还观测了著名的伽马射线暴GRB 990123及其光学波段的余辉。

康普顿伽马射线天文台的设计寿命为5年,但其一共工作了9年时间。1999年12月6日,望远镜上用于姿态控制的一个陀螺仪因球状轴故障而失灵。望远镜共安装有三个陀螺仪,必须有两个同时工作卫星才能正常运作,如果再有一个陀螺仪损坏,将导致望远镜失控,最终可能坠毁在人口稠密地区。在失去备份的陀螺仪之后,部分天文学家认为它还有可能做出重要的科学观测,仍极力主张延长其寿命,但出于安全考虑,NASA还是决定放弃这颗卫星。2000年5月26日,在传回最后一次太阳观测资料后,NASA指引卫星开始一连串点火,并最终在6月4日引导它坠入地球大气层,在太平洋上空烧毁,碎片掉在夏威夷西南约3200-4000公里的预定海域。

 

二、钱德拉X射线天文台

钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory,CXO)是NASA于1999年发射的一台X射线空间望远镜,以美国籍印度裔物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡命名,为大型轨道天文台计划的第三台空间望远镜,目标是观测天体的X射线辐射。CXO的特点是兼具极高的空间分辨率和光谱分辨率,被认为是X射线天文学上具有里程碑意义的空间望远镜,它标志着X射线天文学从测光时代进入了光谱时代。

图3  钱德拉X射线天文台(CXO)艺术渲染图
 

钱德拉X射线天文台源于1976年美籍意大利裔天文学家里卡尔多·贾科尼等人的设想。1978年,美国发射了第一台能成像的X射线空间望远镜爱因斯坦天文台(Einstein Observatory),为钱德拉X射线天文台的研制积累了经验。20世纪80年代和90年代,钱德拉X射线天文台的研制工作一直在进行。1992年,为了削减预算,NASA不得不对其进行重新设计,主镜数目由12个减为4个,终端设备也减掉2台,轨道改为椭圆形,最远距离达到地月距离的三分之一,这样做目的是避开地球辐射带的影响,但望远镜一旦发生故障将无法用航天飞机对其进行维修。

此空间望远镜的制造耗资15.5亿美元,原计划命名为“先进X射线天文设备”(AXAF),1998年为纪念美籍印度裔天体物理家钱德拉塞卡而更名。1999年7月23日,钱德拉X射线天文台由哥伦比亚号航天飞机搭载升空,其运行轨道为椭圆形,近地点1万公里,远地点14万公里,轨道周期为64小时,望远镜在轨期间由史密松天体物理台负责操控和运作。

钱德拉X射线天文台总重约4.8吨,主镜为四台套筒式掠射望远镜,每台口径1.2米,焦距10米,接收面积0.04平方米,采用沃尔特型光路。

钱德拉X射线天文台取得了大量的科学成果,包括在星暴星系M82中发现了中等质量黑洞存在的证据、发现伽马射线暴GRB 991216中的X射线辐射、观测到了银河系中心超大质量黑洞人马座A的X射线辐射、物质从原恒星盘落入恒星时发出的X射线辐射等。

钱德拉X射线天文台至今仍在工作,其观测任务自从发射以来已经持续了接近23年,远远超过了原定计划的5年。

 

三、斯皮策空间望远镜

斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope,SST)是NASA于2003年发射的一台红外空间望远镜,是大型轨道天文台计划的最后一台空间望远镜。

图4  斯皮策空间望远镜(SST)艺术渲染图
 

斯皮策空间望远镜耗资8亿美元,原计划命名为空间红外望远镜设备(SIRTF),2003年12月经过公众评选该望远镜以空间望远镜概念的提出者、美国天文学家莱曼·斯皮策的名字命名。望远镜工作在波长3-180微米的红外线波段,以取代先前的红外天文卫星(IRAS)。斯皮策空间望远镜虽然不比红外天文卫星口径大很多,但得益于红外探测设备的快速发展在观测性能上有了显著的提高。2003年8月25日,斯皮策空间望远镜在美国佛罗里达州的卡纳维尔角由德尔塔Ⅱ型火箭发射升空,运行在一条位于地球公转轨道后方、环绕太阳的轨道上,并以每年0.1天文单位的速度逐渐远离地球,这导致望远镜一旦出现故障将无法使用航天飞机对其进行维修。

斯皮策空间望远镜总长约4米,重量为950千克,主镜口径为85厘米,使用铍材料制作,为避免望远镜被自身发出的红外线所干扰,其主镜温度冷却到了5.5K。望远镜本身还装有一个保护罩,以此避免被太阳和地球发出的红外线干扰。

因为银河系的银盘上充满了大量的尘埃和气体,对可见光的吸收与散射非常严重,因此在地球上无法直接用光学望远镜观测到银河系中心附近的区域。红外线的波长比可见光长,受尘埃和气体的影响较小,因此红外观测能够帮助人们了解银河系的核心、恒星的形成以及太阳系外行星的情况。

2020年1月30日,由于望远镜液氦冷却剂耗尽,以及运行轨道变化导致的太阳能电池板供电不足,NASA向斯皮策空间望远镜发送了关闭信号指示其进入安全模式,结束了望远镜时长16年的观测任务。

 

小结

大型轨道天文台计划的初衷是将不同电磁波段的天文学研究各自推进一个时代。由于地球大气层对伽马射线、X射线和部分红外线有很强的吸收作用,因此空间天文观测比地面观测受到的干扰更少,能够得到更优质的观测数据。康普顿伽马射线天文台和钱德拉X射线望远镜都在口径或者分辨率上比前一代空间望远镜提高了一个数量级,斯皮策空间望远镜虽不比之前的红外空间天文台(ISO)口径大很多,但是得益于红外探测设备的快速发展在观测性能上有了很大的提高。虽然知名度不高,这3台空间望远镜在各自的研究领域也做出了重要的贡献,使得天文学在伽马射线、X射线和红外线观测领域获得了非常大的进步。

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Yang Hanxi
(文章编辑:
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