斯皮策太空望遠鏡——我能感受到宇宙的温暖（下）_風聞

原創：牧夫天文

作者：王婧彧

校對：王茸、楊伯順

美編：崔鬱

後台：庫特莉亞芙卡、李子琦

上期回顧

上篇我們介紹了斯皮策太空望遠鏡的誕生、功能和結構，稍窺它眼中絢麗的宇宙色彩。今天，讓我們繼續這趟宇宙時空之旅吧~

斯皮策太空望遠鏡——我能感受到宇宙的温暖（上）

地球拖尾日心軌道

上回我們提到了一種特殊的軌道——地球拖尾日心軌道，這是紅外望遠鏡們最偏愛的軌道，且聽我細細道來。

簡單來説，與環繞地球的軌道不同，斯皮策太空望遠鏡跟隨在地球的後面環繞着太陽運動，同時，它以每年0.1AU的速度遠離地球，每373天環繞太陽一週。由此也可以看出，斯皮策太空望遠鏡並不是跟在地球后面，它的軌道應與地球有少許的不同。實際上，斯皮策位於日地拉格朗日L2點，這一點位於日地連線上，且位於地球陰影內。這個位置上的物體，不需要外力就能保持與太陽和地球處於同一直線上。

斯皮策太空望遠鏡的軌道示意圖。地球位於原點處，太陽在-1AU處，X-Y座標平面代表黃道面。斯皮策太空望遠鏡的軌道與黃道面有1度的夾角。

Credit: https://www.cfa.harvard.edu/news/su201909

四大優點

冷

自然冷卻

上篇中我們已經介紹過，由於斯皮策太空望遠鏡是在紅外波段進行觀測，因此需要消除一切非觀測對象帶來的紅外干擾，所以它利用液氦來冷卻機身。地球拖尾日心軌道的選擇能夠大大減少所需的液氦量，望遠鏡通過自然冷卻的方式就能降温至20K（約-253.15℃），360升液氦能用5年半。而相較而言，斯皮策的先驅，IAS，在10個月內就消耗了520升！

擾

減少干擾

由於在此軌道上地球的視直徑很小，因此能使望遠鏡避開地球放出的大部分熱量，這些熱量可以讓傳統近地軌道上的衞星和飛船達到-23℃。

降

降低開銷

地球拖尾日心軌道最大的好處就是大大地減少了開銷。減少的液氦需求量使得望遠鏡體積變小，發射的成本也隨之降低。斯皮策太空望遠鏡是由波音德爾塔Ⅱ型火箭發射的，而不是用昂貴的泰坦（Titan）或是擎天神(Atlas)火箭。同時，熱啓動（指望遠鏡在發射後再進行冷卻）使望遠鏡無需包裹在低温恆温器中，這極大地簡化了發射前的測試和組裝流程，降低了費用。

大

更大視角

由於熱量的來源（太陽和地球）幾乎處於同一方向，因此望遠鏡可觀測的角度範圍極大的擴展，只要躲開太陽和地球就好了。

最遙遠的大質量星系團

——COSMOS-AzTEC3

COSMOS-AzTEC3星系團

Credit: Subaru/P. Capak (SSC/Caltech)

2011年，利用斯皮策太空望遠鏡、錢德拉太空天文台和其他多波段望遠鏡，天文學家們發現了正在成長的一個大質量星系團——COSMOS-AzTEC3，它距離我們126億光年，是已發現的最古老的原始星系團。

精確測量哈勃常數

Credit: NASA

74.3km/s/Mpc（Mpc為百萬秒差距，秒差距pc為度量天體距離的單位，1秒差距≈3.26光年），這是斯皮策太空望遠鏡在2012年測量的哈勃常數，誤差在3%以內。哈勃常數是1929年由哈勃給出的河外星系的視向速度與距離的比值，用來衡量宇宙的膨脹速度。

通過對哈勃望遠鏡數據的修正，再加上WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，威爾金森微波各向異性探測器）的證實，斯皮策太空望遠鏡得以精確測量哈勃常數。

最遙遠星系——GN-z11​

GN-z11星系

Credit: http://www.spitzer.caltech.edu/news/1861-feature16-04-Hubble-Team-Breaks-Cosmic-Distance-Record

2016年，哈勃望遠鏡聯合斯皮策太空望遠鏡發現了距離地球134億光年外的一個嬰孩星系——GN-z11，它誕生於大爆炸4億年後，位於大熊座方向，其質量僅為銀河系的1%，

但是其恆星的誕生速度卻為銀河系的20倍。

起初，研究團隊利用哈勃望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡拍攝到的照片上的顏色來推測其距離，後來，他們又採取了另外一種方式：將光線分解為其組合色。他們意識到這個星系要更加遙遠，實際上已經達到了哈勃望遠鏡的觀測極限。對此星系的研究為探索早期宇宙的特點帶來了新的線索。如此大質量的星系竟然在宇宙形成的早期就已存在，這説明早期宇宙中恆星的誕生和生長都十分迅速。

揭秘中型行星大氣

GJ 3470 b

Credit: http://www.spitzer.caltech.edu/news/2185-ssc2019-12-Atmosphere-of-Midsize-Planet-Revealed-by-Hubble-Spitzer

就在最近，斯皮策太空望遠鏡和哈勃望遠鏡首次證實了中型行星（質量介於地球和海王星的行星）的化學“指紋”。這顆行星，GJ 3470 b圍繞着一顆紅矮星運行，擁有一個很大的固態內核，外面包裹着一層厚厚的氫-氦大氣層。科學家通過凌星法測量反射光中缺失的光線，以及利用掩星法測量發射譜線。通過對譜線的分析，他們能夠得到行星大氣的化學“指紋”。研究者發現，與他們預想的不同，行星的大氣層中重元素十分稀少，其成分有着太陽的富氫/氦特徵。最有可能的解釋是，這顆行星最初在其母星附近形成，並且迅速從原行星盤中吸食氫，但是，因為成長受阻，它並沒有成長為一顆熱木星，只長成了一顆比海王星稍小的行星。

到此為止，對於斯皮策太空望遠鏡，我們有了一些基本的瞭解。十六年來，它追逐着宇宙的温暖，感知着自然脈搏的跳動。外表的冰冷並不妨礙內心火一般的熱情，在並不孤獨的太空中，斯皮策太空望遠鏡吟唱着屬於它自己的冰與火之歌。

參考文獻：

1.http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.506.7642&rep=rep1&type=pdf

2.http://www.ir.isas.jaxa.jp/SPICA/h2l2_spie/node6.html#SECTION00022000000000000000

3.http://www.spitzer.caltech.edu/mission/195-Clever-Choice-of-Orbit

4.http://www.spitzer.caltech.edu/images/3473-ssc2011-02a-Galactic-City-at-the-Edge-of-the-Universe

5.http://www.spitzer.caltech.edu/news/1861-feature16-04-Hubble-Team-Breaks-Cosmic-Distance-Record

6.http://www.spitzer.caltech.edu/news/2185-ssc2019-12-Atmosphere-of-Midsize-Planet-Revealed-by-Hubble-Spitzer

7.https://newatlas.com/hubble-spitzer-expansion-universe-redshift-cepheid/24457/

『天文時刻』 牧夫出品

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斯皮策太空望遠鏡在紅外光下拍攝的洞穴星雲

Credit: NASA, JPL-Caltach, Spitzer Space Telescope