斯皮策太空望远镜——我能感受到宇宙的温暖（下）

原创：牧夫天文

作者：王婧彧

校对：王茸、杨伯顺

美编：崔郁

后台：库特莉亚芙卡、李子琦

上期回顾

上篇我们介绍了斯皮策太空望远镜的诞生、功能和结构，稍窥它眼中绚丽的宇宙色彩。今天，让我们继续这趟宇宙时空之旅吧~

斯皮策太空望远镜——我能感受到宇宙的温暖（上）

地球拖尾日心轨道

上回我们提到了一种特殊的轨道——地球拖尾日心轨道，这是红外望远镜们最偏爱的轨道，且听我细细道来。

简单来说，与环绕地球的轨道不同，斯皮策太空望远镜跟随在地球的后面环绕着太阳运动，同时，它以每年0.1AU的速度远离地球，每373天环绕太阳一周。由此也可以看出，斯皮策太空望远镜并不是跟在地球后面，它的轨道应与地球有少许的不同。实际上，斯皮策位于日地拉格朗日L2点，这一点位于日地连线上，且位于地球阴影内。这个位置上的物体，不需要外力就能保持与太阳和地球处于同一直线上。

斯皮策太空望远镜的轨道示意图。地球位于原点处，太阳在-1AU处，X-Y坐标平面代表黄道面。斯皮策太空望远镜的轨道与黄道面有1度的夹角。

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

四大优点

冷

自然冷却

上篇中我们已经介绍过，由于斯皮策太空望远镜是在红外波段进行观测，因此需要消除一切非观测对象带来的红外干扰，所以它利用液氦来冷却机身。地球拖尾日心轨道的选择能够大大减少所需的液氦量，望远镜通过自然冷却的方式就能降温至20K（约-253.15℃），360升液氦能用5年半。而相较而言，斯皮策的先驱，IAS，在10个月内就消耗了520升！

扰

减少干扰

由于在此轨道上地球的视直径很小，因此能使望远镜避开地球放出的大部分热量，这些热量可以让传统近地轨道上的卫星和飞船达到-23℃。

降

降低开销

地球拖尾日心轨道最大的好处就是大大地减少了开销。减少的液氦需求量使得望远镜体积变小，发射的成本也随之降低。斯皮策太空望远镜是由波音德尔塔Ⅱ型火箭发射的，而不是用昂贵的泰坦（Titan）或是擎天神(Atlas)火箭。同时，热启动（指望远镜在发射后再进行冷却）使望远镜无需包裹在低温恒温器中，这极大地简化了发射前的测试和组装流程，降低了费用。

大

更大视角

由于热量的来源（太阳和地球）几乎处于同一方向，因此望远镜可观测的角度范围极大的扩展，只要躲开太阳和地球就好了。

最遥远的大质量星系团

——COSMOS-AzTEC3

COSMOS-AzTEC3星系团

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

2011年，利用斯皮策太空望远镜、钱德拉太空天文台和其他多波段望远镜，天文学家们发现了正在成长的一个大质量星系团——COSMOS-AzTEC3，它距离我们126亿光年，是已发现的最古老的原始星系团。

精确测量哈勃常数

Credit: NASA

74.3km/s/Mpc（Mpc为百万秒差距，秒差距pc为度量天体距离的单位，1秒差距≈3.26光年），这是斯皮策太空望远镜在2012年测量的哈勃常数，误差在3%以内。哈勃常数是1929年由哈勃给出的河外星系的视向速度与距离的比值，用来衡量宇宙的膨胀速度。

通过对哈勃望远镜数据的修正，再加上WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，威尔金森微波各向异性探测器）的证实，斯皮策太空望远镜得以精确测量哈勃常数。

最遥远星系——GN-z11​

GN-z11星系

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

2016年，哈勃望远镜联合斯皮策太空望远镜发现了距离地球134亿光年外的一个婴孩星系——GN-z11，它诞生于大爆炸4亿年后，位于大熊座方向，其质量仅为银河系的1%，

但是其恒星的诞生速度却为银河系的20倍。

起初，研究团队利用哈勃望远镜和斯皮策太空望远镜拍摄到的照片上的颜色来推测其距离，后来，他们又采取了另外一种方式：将光线分解为其组合色。他们意识到这个星系要更加遥远，实际上已经达到了哈勃望远镜的观测极限。对此星系的研究为探索早期宇宙的特点带来了新的线索。如此大质量的星系竟然在宇宙形成的早期就已存在，这说明早期宇宙中恒星的诞生和生长都十分迅速。

揭秘中型行星大气

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，斯皮策太空望远镜和哈勃望远镜首次证实了中型行星（质量介于地球和海王星的行星）的化学“指纹”。这颗行星，GJ 3470 b围绕着一颗红矮星运行，拥有一个很大的固态内核，外面包裹着一层厚厚的氢-氦大气层。科学家通过凌星法测量反射光中缺失的光线，以及利用掩星法测量发射谱线。通过对谱线的分析，他们能够得到行星大气的化学“指纹”。研究者发现，与他们预想的不同，行星的大气层中重元素十分稀少，其成分有着太阳的富氢/氦特征。最有可能的解释是，这颗行星最初在其母星附近形成，并且迅速从原行星盘中吸食氢，但是，因为成长受阻，它并没有成长为一颗热木星，只长成了一颗比海王星稍小的行星。

到此为止，对于斯皮策太空望远镜，我们有了一些基本的了解。十六年来，它追逐着宇宙的温暖，感知着自然脉搏的跳动。外表的冰冷并不妨碍内心火一般的热情，在并不孤独的太空中，斯皮策太空望远镜吟唱着属于它自己的冰与火之歌。

参考文献：

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/

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

斯皮策太空望远镜在红外光下拍摄的洞穴星云

Credit: NASA, JPL-Caltach, Spitzer Space Telescope