太空探索－指定教材

第八章 探索太空的秘密

8.4  探索宇宙的奥秘（2）

8.4.2 探索宇宙的“四大天王”

1. 哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope，简称HST)于1990年由美国航天飞机送上高590 km、倾角28.5°的轨道，设计寿命15 a，造价近30亿美元。其外形宛如一辆长翅膀的大型公共汽车，长13.3 m，直径4.3 m，重11.6 t，是目前太空中最大的光学望远镜，星上仪器主要工作在紫外、近红外和可见光波段。

HST载有广角行星相机、暗弱天体相机和戈达德高分辨率摄谱仪等。广角行星相机可拍摄到几十个到上百个恒星的照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上。HST曾在1993年12月在太空经历过首次大修，主要原因是其主反射镜有偏差，“哈勃”成了“近视眼”，不能达到原设计要求的辨别140亿光年天体的功能。修复后的HST的观测分辨率提高了50%，能看到亮度弱得多的恒星，所拍摄物体的明暗对比也更加明显。通过HST，人们看到了比太阳亮1万亿倍的类星体和星系撞击及黑洞吞噬星体、气体和射线的情形。

1997年2月对HST进行了第二次维修，用价值1亿美元的近红外相机和多目标分光计取代原来的暗弱天体相机，用1.2亿美元的太空望远镜成像摄谱仪取代戈达德高分辨率摄谱仪。新设备能使HST的视野延伸至红外波段，让人们看到宇宙大爆炸后10亿年内星系形成的整个过程，并为天文学家提供有关黑洞、行星和恒星的活动细节。

HST的第三次维修分两步进行。第一步是在1999年12月，更换了陀螺。第二步维修在2002年3月1～12日进行。此次维修安装了高级照相机，更换了部分太阳能电池，并安装了新的制冷器。图8-24为轨道上的哈勃空间望远镜。

2. 康普敦γ射线观测台

康普敦γ射线观测台(Compton Gamma Ray Observatory，简称CGRO)重17 t，是目前最重的太空观测卫星。它是1991年4月5日发射的，在完成了预定的观测任务后，于2000年6月4日进入地球大气层烧毁。图8-25给出轨道上的CGRO。

CGRO是观测高能宇宙的高级观测站，是在HST之后第二个发射的大型观测站。HST工作在可见光到紫外波段，而CGRO所携带的4个仪器收集宇宙高能辐射，即γ射线，能量范围是30 keV ～ 30 GeV。4个仪器分别是暴和瞬变源实验仪器、定向闪烁光谱仪、成像康普敦望远镜和高能γ射线实验望远镜。这4个仪器比以前飞行在太空的仪器更大、更灵敏。大的仪器是必要的，因为被记录的γ射线的数目直接与探测器的质量有关，来自分散源的γ射线光子的数量是很小的，只有大的仪器才能在确定的时间内记录足够多的γ射线光子。这些仪器的组合可以探测的γ射线能量的范围是20 keV～30 GeV。

3. 钱德拉(Chandra)X射线望远镜

Chandra X射线望远镜于1999年7月23日发射，轨道是10 000 km×140 000 km，轨道倾角为28.4°。Chandra前名为高级X射线天文学设备(简称AXAF)，1998年12月由NASA改成现名。Chandra X射线望远镜携带一个焦距为10m的高分辨率望远镜、两个成像探测器和两组透射光栅。Chandra X射线望远镜的重要特征包括： 空间分辨率提高了一个数量级，在0.1～10 keV之间有高的灵敏度，在宽的谱范围内具有高的谱分辨率。因此，Chandra X射线望远镜能研究极弱的X射线源。

4. 空间红外望远镜

空间红外望远镜(Space Infrared Telescope Facility ，简称SIRTF)是NASA四个大观测站计划的最后一项。其工作波长范围是3～180 μm，望远镜主反射镜的直径为85 cm，是目前孔径最大的红外望远镜。SIRTF是对哈勃空间望远镜、钱德拉X射线望远镜和康普顿γ射线望远镜的补充。因为最短的红外波长将突破严重的尘埃遮挡，允许天文学家研究新形成的恒星。较长的红外波长适于研究尘埃的分布，而尘埃是未来行星和恒星形成的重要组成部分。SIRTF于2003年8月25日发射，估计最少运行2.5年，并争取运行5年以上。

SIRTF研究的内容包括以下四个科学课题：

(1) 寻找褐矮星和超行星。这些天体的质量太小，不能产生核聚变，但比太阳系中的行星大而暖。天文学家现在开始探测这些长期被寻找的天体，希望能知道这些被认为充满宇宙的难以捉摸的暗物质。SIRTF将提供关于它们的浓度和物理特征的非常宝贵的信息。

(2) 发现和研究围绕恒星的盘。SIRTF将确定尘埃盘的结构和成分以及围绕恒星的气体。尘埃和气体的原始行星盘和行星碎片盘被认为是行星系统的形成标志。通过观察各种年龄的盘，SIRTF可以追踪无定型的尘埃和气体云向巨大行星系统的演变。

(3) 研究极亮的红外星系和活动星系核。许多星系在红外波段比其他波段发射更强的辐射，这些极亮的红外星系可能是由黑洞供能的尘埃遮掩活动星系核产生的。SIRTF将追踪这些天体的起源和演化。

(4) 研究早期的宇宙。宇宙红移起因于宇宙的膨胀，高红移的天体被看做是存在很长时间。由恒星和星系初期发射的可见光和紫外辐射现在移到红外。SIRTF将为透彻地理解第一个恒星和星系什么时候和怎样形成的提供重要信息。

为了完成上述四个科学课题，SIRTF携带了红外阵列照相机、红外光谱仪和多波段成像光度计。

红外阵列照相机是一个4通道照相机，能同时在3.6 μm、4.5 μm、5.8 μm和8 μm提供5.12′×5.12′(弧分)的近红外和中红外图像。照相机中4个探测器阵的每一个都有256像素×256像素。

红外光谱仪在中红外波段提供高分辨率和低分辨率的光谱，有4个独立的模块： 一个低分辨率的短波长模块，覆盖5.3～14 μm的间隔；一个高分辨率的短波长模块，覆盖10～19.5 μm 的间隔；一个低分辨率的长波长模块，覆盖14～40μm的间隔；一个高分辨率的长波长模块，覆盖19～37 μm的间隔。每个模块有自己的红外光入孔。探测器是128×128列阵。为了提高灵敏度，短波长硅探测器用砷处理，长波长硅探测器用锑处理。

多波段成像光度计有3个探测器阵： 128×128的探测器阵在24 μm成像，是用锑处理的硅探测器。32×32 的探测器阵在70 μm成像；2×20的探测器阵在160 μm成像，二者都是使用砷处理的锗探测器。多波段成像光度计的视场从短波长的5′×5′(弧分)到长波长的0.5′×5′。

SIRTF的创新点体现在以下几方面：

(1) 使用了性能更加优越的红外探测器阵，灵敏度将是地基红外天文观测望远镜的上千倍。先进的阵列式红外探测设备将使得SIRTF可以观测到超过目前任何天基天文台上百万倍远的观测距离。

(2) SIRTF的轨道是尾随地球的日心轨道，与地球保持同样的角速度绕太阳公转。SIRTF在围绕日心运行时，将在地球后面漂移，以 0.1AU/a 的速度远离地球。这个轨道的选取使得SIRTF有一个良好的热环境，因为地球不仅反射来自太阳的可见光，而且本身也发射红外辐射，处在其中的卫星将沉浸在温度超过250K的环境内，而漂移的日心轨道使SIRTF进入深空，那里的环境温度大约是30～40 K，利用大自然作为冷却源，SIRTF可以携带很少的液氦，大大地减轻了自身的重量。

(3) 创新的制冷方式。以前的空间红外望远镜都由巨大的制冷器掩盖，以使望远镜保持在接近绝对零度的温度，这种系统位形称为冷发射方式。而SIRTF采用了创新的暖发射制冷方式。SIRTF在环境温度下发射，在深空由辐射制冷(被动制冷)，只有探测仪器密封在含有制冷机的真空壳内。暖发射制冷方式可大大减小制冷剂的数量，延长望远镜的使用寿命。根据设计，SIRTF将携带360 L的液氦，可以支持卫星运行5 a左右。SIRTF的质量只有950 kg，而在1990年的最初设计质量是5700 kg。SIRTF进入预定轨道后，用一个星期的时间使卫星外壳冷却至50 K，然后，望远镜和外壳的热耦合被切断。沸腾的低温气体用几个星期的时间将望远镜冷却至5.5 K，将仪器冷却到1.4 K，使其能够正常运行。

此外，SIRTF在数据存储和遥测等方面都有创新，使得它在5 a的工作期间，能进行10万次观测。

上一节  |  回书目 |  下一节