韦布又要“鸽”？空间望远镜上天前的一波三折

斯皮策望远镜十周年纪念照片。版权／NASA

望远镜上天从来都不是一件容易的事，最近，NASA就又一次宣布了詹姆斯·韦布空间望远镜发射的推迟。韦布的前辈，斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope，SST）从最初概念的提出、批准、到建造和升天，也可谓是一波三折，设计上几易其稿，前后历时超过30年。

初始计划里，斯皮策空间望远镜起初被叫做“飞船载红外望远镜”（SIRTF,S=Shuttle)，后又改名为“空间红外望远镜”(SIRTF,S=Space)，直到发射前才正式被定名为“斯皮策”。

斯皮策空间望远镜的名称更替直接反映了它背后的历史。1971年的设计初稿里，是将其作为载荷的一部分，置于当时刚刚出现的宇宙飞船之上的。在之后长达12年的时间里，艾姆斯研究中心和商业航空公司，也一直是以1米的飞船载太空望远镜为指导思想进行着设计和研发。

1983年是对斯皮策望远镜具有里程碑意义的一年。NASA发布了相关的仪器征集，并最终选中了三个小组，分别由乔瓦尼·法齐奥、吉姆·霍克（JimHouck）和乔治·瑞克（GeorgeRieke）领导。这三个小组后来发展了最终的终端仪器：近红外测光仪IRAC、中红外光谱仪IRS和中红外测光仪MIPS。SIRTF成立了最初的科学工作组，其中的大部分人一直坚持着这个项目，直到20年后斯皮策望远镜终于正式升空。在种种蹉折和延迟下，斯皮策望远镜的设计也发生了变化，从原来的太空载仪器变成了NASA“伟大的空间望远镜计划”的成员之一。随着高空（10万千米）自主飞行器的发明和实现，斯皮策望远镜被重新设计成了巨型的浸泡在制冷剂中的空间红外望远镜，名字中的“飞船载”（Shuttle）也改成了“空间”（Space）。

1984年斯皮策望远镜（当时还叫SIRTF）科学工作小组的第一次会议在艾姆斯研究所召开，后排左起：GeorgeNewton（NASA项目经理），Dan Gezari（NASA戈达德中心），Ned Wright、Michael Jura（加利福尼亚大学洛杉矶分校），Michael Werner、Fred Witteborn（艾姆斯研究所）。前排左起：Giovanni Fazio（史密松天体物理中心），George Rieke（亚历桑那大学），NancyBoggess（NASA 项目科学家），Jim Houck（康奈尔大学），Frank Low（亚历桑那大学），Terry Herter（康奈尔大学）。版权／Michael Werner

然而，原本计划在1991年升空的SIRTF在最后一秒钟被叫停。这主要是受到了哈勃望远镜的波及（哈勃望远镜的主镜刚上天就出现了对焦的问题，经过航天员多次的舱外活动，才于1994年完成了维修任务）。值此时机，NASA喷气推进实验室的项目工程师约翰尼·郭（Johnny Kwok）在1992年提出了更改轨道的建议，把原来的高空绕地轨道更改为绕日轨道，这样既可以远离地球散发的热量对红外仪器的干扰，也可以保证望远镜的太阳能板拥有固定的日照角度，提高仪器的热稳定性。

不仅如此，绕日轨道的设计还提高了望远镜的观测范围，能做到一直有40%的天球可观测，为进行深空的反复长曝光创造了条件。更深的曝光可以看到更暗更远的宇宙，而反复地观测同一天区，也有助于进行时域相关的天文观测。这一轨道更新的建议一经提出，立刻得到了天文界的广泛支持。

之后在1993年的一次会议上，经过热烈讨论，天文学家进一步决定把原来“大而全”的设计方案改成“小而精”的设计，只保留最重要的仪器，来回答最迫切解决的科学问题。这一原则下，在望远镜本身大小不变的前提下，由原来完全浸泡在液氦汤底中的设计，改成了常温发射、抵达太空轨道后再用液氦冷却降温的新方案，极大地节省了液氦的用量和发射的载重。新设计中，所有的终端设备都被牢牢固定，只保留了一个需要移动的仪器组件（MIPS的扫描镜）。尽量在最小的变数下保障望远镜的成功。

在无尘实验室组装好的望远镜实物图。版权／NASA/SSC

所有硬件的设计于1996基本完成。国家天文台的黄家声研究员，在90年代末20世纪初时，曾经参与了斯皮策空间望远镜上天前IRAC仪器的调试。他口述过一则逸事。在实验室阶段的IRAC仪器原本同普通相机一样，安装有一个快门，以便准确地估计曝光时间，同时也可以在暗室条件下测量本底。实验室的测试结果一直非常顺利。然而，就在把IRAC仪器装上望远镜后，快门测试时偶然发生了一次故障，停在了关闭状态。如果升空后也发生这种情况，就意味着“出师未捷身先死”，将直接宣告仪器无法正常工作。IRAC小组非常担心，紧急召集了10名工程师研究原因，最终发现快门的失常是金属棒磁化造成的，也利用翻转电流的方向解决了这个问题。尽管如此，在发射的最终阶段，NASA评估了风险后，还是做出了不用快门的决定，让IRAC“开”着上天，进一步防止可能的风险。

软件方面，加州理工学院的红外处理分析中心（IPAC）为此特别建立了斯皮策空间望远镜科学中心，负责数据的处理分析，并在全世界范围内接收观测项目申请。上述快门对应的本底问题，就是通过后期的数据处理估计和去除的。相似的，斯皮策望远镜的IRS仪器在上天前也发生了意外，滤光片上出现了一个小小的裂缝，其产生的衍射条纹会直接影响到观测数据的质量。但发射已迫在眉睫，再重新磨一个新滤光片已经来不及了，只能祈祷发射过程中的推力不会扩大这个裂缝。幸运的是，发射和入轨一切顺利，裂缝并没有变化。地面人员也是在后期数据处理阶段，通过解衍射条纹方程，有效地去除了这一干扰项对光谱的影响。

在反复论证的过程中，当年的SIRTF的竞争对手，欧空局（ESA）的60厘米级红外空间天文台ISO已经于1995年发射后又于1998年退役了。ISO在2.4微米-240微米和25微米-197微米分别提供了中远红外的图像和光谱信息。斯皮策望远镜最后的镜子虽然只有85厘米，似乎没有多大的提高，但因为同时期从接收机到控制系统设计的高速技术发展，斯皮策望远镜在探测的灵敏度、效率和精度方面比最初的设计提高了不止一个量级，仅从观测的净速度来看，1986年到2003年的速度提升就超过了1000倍。因此在同期的空间红外望远镜中，斯皮策望远镜虽然先发而后制，它的科学发现，特别是在星系宇宙学上的发现远远超过了其竞争对手，甚至也超越了最早设计时的想像。乃至斯皮策望远镜相关的天文学家，在后来提起这30年的漫长等待和坚守时，常说的一句话是，“放轻松，摩尔定律会帮你解决大部分的难题。”

斯皮策望远镜从90年代初到最终发射时经历的设计变化，主要体现在仪器体积上，预期寿命和望远镜大小基本没变，但预算和仪器的自重得到了大辐降低。来源／ Werner/Michael/Eisenhardt/Peter/ More Things in the Heavens（普林斯顿出版社）

虽然设计时强调“小而精”，由于斯皮策望远镜强大的红外观测能力，覆盖的科学不一而足，小到太阳系、行星形成、系外行星，大到恒星和星云、星系和宇宙学，直接将我们对宇宙的理解带入了一个新的层面。它更准确地测量了大麦云中的造父变星和宇宙膨胀的速率；协同HST探测到了宇宙早期再电离时期（大爆炸后6.5亿年）的星系的质量和年龄；通过探测尘埃的温度和辐射，记录了随着宇宙年龄变化的恒星形成历史，发现了我们的宇宙在大爆炸后30亿年处（红移2-3处）已经达到了生长（恒星形成）的峰值，并在这之后的100亿年间一直呈下降趋势；发现了宇宙早期就存在着许多星系团，对于我们了解宇宙的大尺度结构和宇宙演化非常重要；此外，斯皮策望远镜还发现了大量的富有尘埃的活动星系核，这些星系核代表着星系中心的超大质量黑洞正在疯狂地吸收周围的物质，其中大部分都因为尘埃的遮挡而很难在光学看到。

在银河系内，斯皮策望远镜观测到了云团中年轻恒星的形成，发现了行星形成和褐矮星周边原行星盘的痕迹，这其中，很可能就存在着离地球最近的地外行星。终其一生，特别是“热模式”工作的10余年中，斯皮策望远镜重点认证和观测了太阳系内的近地小行星、彗星和太阳系外的行星系统。这其中最著名的莫过于发现了拥有7颗地球大小行星的Trappist-1系统。这些太阳系外的行星系统中，有不少和我们的太阳系非常相似，这一方面从结构和成分上证明了我们的太阳系本身并不特殊；另一方面，也为探寻地球以外的可能生命形式和可能的生存环境提供了探索的方向。

由斯皮策望远镜发现的Trappist-1系统的艺术加工想像图，一颗距离地球约40光年的超冷红矮星Trappist-1，周围环绕着7颗地球大小的行星。随着离恒星距离的由近及远，水会因过热而蒸发殆尽（图上显示为水汽），或者因过冷而凝结为冰。在合适的中间距离，水能以液态形式存在，这一区间被认为适合生命存在，被称作“宜居带”。版权／NASA/JPL-Caltech/R.Hurt(IPAC)

斯皮策望远镜原本预计的工作时间是5年，制冷剂的设计运行期限仅2.5年。实际上，相比于原来液氦汤的设计，仪器发热和自然升温造成的液氦蒸发被很好地控制了，斯皮策望远镜在达到工作所需的低温（5开尔文，-268摄式度）“冷模式”下，一共工作了6年时间。消耗完制冷剂后，利用仪器自身的辐射降温，斯皮策望远镜又在“热模式”下一直工作了10余年。随着系统温度的升高造成的噪音增加，进入“热模式”后，IRS和MIPS停止了工作，IRAC剩余的3.6微米和4.5微米依旧坚挺了许多年，直到2020年1月31日，在经费耗尽后终于正式退役，共在轨运行16年4个月，远超原本设计的5年工作时间。

——选自《中国国家天文》2021年11月号

作者简介 /

戴昱，国家天文台研究员，研究方向为星系的形成与演化的多波段观测。

《中国国家天文》11月刊

编辑 / 缓缓 怀尘

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