太空望远镜开普勒“退休” 斯皮策将接任

最近，媒体报道称，由于开普勒任务已被证实无法修复，美国宇航局科学家正在研究如何将10年前服役的“古董”斯皮策太空望远镜改造成外行星探测器，以取代开普勒，并继续寻找外行星，努力在未来10年内找到可居住区的岩石行星。

斯皮策的太空望远镜到底是什么，为什么美国宇航局喜欢它，用斯皮策代替开普勒需要修改吗，有什么困难？带着这些问题，记者采访了相关专家。

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斯皮策不是探索太阳系外行星的门外汉。

“斯皮策不是‘古董’，它是四大天王之一，可以和哈勃太空望远镜相比，探索宇宙的奥秘。”我听说有人称斯皮策为“古董”。北京大学天文学教授吴新基很快纠正了这一点。

吴新基进一步解释说，探索宇宙奥秘的“四大天王”是哈勃太空望远镜(可见光、紫外和近红外)、康普顿伽马射线天文台、钱德拉X射线天文台和斯皮策红外太空望远镜，它们具有不同的观测波段和各自的优势。对于太阳系外行星的探索，“斯皮策”不是一个门外汉，而是一个做出了巨大贡献的“专家”。

2003年，美国宇航局发射了斯皮策太空望远镜。望远镜的总重量为865公斤，镜子的长度为4.45米，直径约为2米。主镜为直径85厘米的透镜，配有三个观察仪器，即红外阵列相机、红外光谱仪和多波段成像光度计。

"这是人类发射到太空中最大的红外望远镜."吴新吉说，所谓的红外是指望远镜能够探测到目标发出的红外辐射。斯皮策的红外探测灵敏度极高，波长在3微米到180微米之间的所有红外辐射都可以在“眼睛”底部捕捉到。然而，这个波段始终是地面望远镜的“盲区”，因为在其范围内的辐射到达地面时会被地球大气层阻挡。因此，“斯皮策”可以探测到宇宙中难以察觉的物体，例如暗淡的小恒星。与光学天文观测设备相比，斯皮策的红外眼睛可以穿透尘埃和气体，看到隐藏在它背后的无限神秘。

斯皮策成功的秘密在于它的设计。它能使望远镜的照相机和摄谱仪保持在-272℃的低温，使这些电子探测器在红外波段达到最大灵敏度。为此，斯皮策仪器被放置在一个装满液氦冷却剂的容器上。同时，斯皮策的新技术也隔离了干扰观测的外部热源。

例如，安装在斯皮策一侧的太阳能电池板和隔热罩总是对准太阳，以确保望远镜始终处于阴影中。斯皮策对地球轨道的跟踪也使它与地球发出的热量保持一定的距离。望远镜的物理设计还利用了空间环境的自然冷却效果。因此，斯皮策每天只需要28克液氦来维持仪器所需的工作温度。

“它的设计最小寿命为2.5年，目标寿命超过5年。现在，他已经工作了10多年，仍在工作。”吴欣奇说。

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因为它与开普勒的观测波段基本相同

有人说既然他们是四大天王，为什么他们选择了斯皮策而不是用更著名的哈勃太空望远镜来取代开普勒？

“‘斯皮策’和‘开普勒’的观测波段基本相同，这是其他太空望远镜无法比拟的。“在吴新集。

光学望远镜探索太阳系外行星的努力从可见光波段开始，逐渐发展到红外波段，在观察和发现太阳系外行星方面具有天然优势。“哈勃只能在近红外波段进行观察。尽管它已经发现了许多重要的系外行星，但它的整体能力远不如开普勒，也不能取代开普勒。”吴欣奇说。

特别值得一提的是，斯皮策已经在天堂待了10年，并取得了丰硕的成果。特别是在最初的五年里，在超低温条件下工作，结果更加辉煌。

2009年8月，天文学家利用斯皮策(Spitzer)发现了几千年前围绕一颗年轻恒星运行的行星与另一颗较小行星发生剧烈碰撞的证据，比如碰撞期间蒸发的岩石和熔岩残留物形成的烟柱，以及行星上留下的深深凹痕。

今年，它还发现了第一颗“富含碳”的外行星WASP-12b，其大小是木星的1.5倍，非常接近其高温母星。它的碳含量比氧高，而外行星的碳含量只有氧的一半。

2010年3月，研究人员使用斯皮策太空望远镜发现了两个最小的类星体，即距离地球130亿光年的J0005-0006类星体和J0303-0019类星体。

此外，“斯皮策”还能穿透星系中的尘埃，并在星系的*核心找到超大质量黑洞。科学家最初认为在没有核球的星系中心没有大质量黑洞，但是斯皮策的观察否认了这一观点。它观察了32个有小核球或没有核球的星系，发现其中7个有黑洞，质量非常大。

还有很多事情要做

帮助斯皮策观察外星行星的两种方法

一些科学家怀疑斯皮策太空望远镜是否有能力研究系外行星。

对此，吴新基表示，不应低估斯皮策的能力。它的作用非常大:首先，可以发现和研究银河系外的系统。一些银河系外的星系有很强的红外辐射，但可见光辐射很弱，这最适合斯皮策观测。“斯皮策”是

对遥远星系的高灵敏度观测也显示出巨大的优势，可以揭示早期宇宙。

其次，它可以找到太阳系以外的行星。由于这颗行星只反射来自母星的光，它的体积比母星小得多，在可见光波段，这颗行星比母星暗100亿倍。然而，一些年轻的行星具有较强的红外辐射，而它们的母星具有较弱的红外辐射，因此行星和母星之间的红外强度比没有可见光波段宽。因此，使用斯皮策在红外波段寻找行星比在可见光波段容易得多。

此外，通过观察不同演化阶段恒星周围的尘埃盘，可以获得行星的形成过程。这项工作在可见光波段也很难完成，因为由于灰尘的遮挡，人们看不清楚那里发生了什么。而红外线观测可以穿透尘埃屏障，揭示里面的奥秘。

吴新吉认为，斯皮策的探索发现系外行星主要依靠间接方法，即通过探测行星对母星的微小影响来判断行星的存在、质量或大小。最有效的两种方法是摇动法和凌星法。

晃动法的基本原理是:行星围绕恒星运动，事实上行星和恒星都围绕它们的质心旋转，但恒星的轨道半径非常小。

“这导致星星有时离开我们，有时向我们走来，也就是摇晃。由于震动，这颗恒星的光谱有时会轻微红移(波长变长)，有时会轻微紫移(波长变短)。光学天文望远镜的光谱分析方法可以用来测量光谱的变化，从而发现恒星的摆动，然后根据摆动来估计行星的质量。”

当行星从它们的母星前面经过时，凌星是一种现象。它对母星的屏蔽导致恒星亮度的变化。通过测量在凌星过程中行星对母星的部分覆盖引起的光度变化，即光变化曲线，可以计算出行星的覆盖面积，并估计出行星的大小。

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真正的“继任”观察程序需要调整

尽管斯皮策太空望远镜具有极好的稳定性，但一些专家认为观察凌日行星仍然很困难。行星凌日时恒星光的周期性变化可能会干扰望远镜的工作模式，使得测量系外行星的任务变得困难。

对此，吴新基认为，“开普勒”是一种探测行星的特殊装置。它可以通过使用渡越方法来检测亮度的微小变化。一颗地球大小的行星经过它的母星时引起的亮度变化相当于一只小跳蚤飞过汽车前灯时产生的效果。开普勒携带的探测器可以探测到这种轻微的亮度变化，并且有很强的能力。

斯皮策携带一个红外阵列照相机、一个红外光谱仪和一个多波段成像光度计。斯皮策有能力通过使用摆动法和凌日法探测系外行星，也有能力探测行星的大气成分和温度。然而，凌星方法探测系外行星的灵敏度低于开普勒方法。开普勒有一个直径为95厘米、像素为95米的电荷耦合器件照相机，这是迄今为止太空中最大的照相机。但是斯皮策的红外摄像机有点糟糕。

此外，它的观察方式也不同。开普勒瞄准一个天空区域，仔细地反复观察。虽然斯皮策的观察是一整天，至少观察程序应该调整。

“当然，如果可能的话，最好对斯皮策进行一些技术改造，以提高它探测行星的能力。至于能做出什么样的修改，直到美国宇航局的科学家们仔细研究后才清楚。只是斯皮策离我们很远，很难实施重大改革措施。”

然而，令吴新吉欣慰的是，尽管斯皮策已经在天堂呆了10多年，但他携带的“冷却剂”到2009年已经耗尽。然而，斯皮策仍然在2012年发现了系外行星，因为它能够反射和消散多余的热量，使其温度能够满足红外相机阵列四个通道中两个通道的正常运行。