“古老、寒冷、星尘弥漫的深空”

（文 / 鲁伊）

SIRTF项目科学中心主任汤姆·索伊弗 

SIRTF在洛克希德·马丁公司组装 

SIRTF的不同侧面  

为什么我们要把望远镜送上太空？  

现如今提起大名鼎鼎的哈勃望远镜，小学生也能头头是道地列出一二三来。这多少和美国航天局(NASA)当年启动“大天文台”(Great Observatory)项目时的初衷不甚相符。

早在70年代，NASA曾计划向地球大气层外发射4架太空望远镜，从而揭开宇宙在整个波长尺度内的神秘面貌。只能观测电磁波谱中间一段——紫外光、可见光和红外光——的哈勃望远镜不过是这个雄心勃勃的计划中的一分子。在NASA最初的计划中，它与康普顿伽马射线望远镜(Compton Gamma Ray Observatory)、钱德拉X 射线望远镜(Chandra X-ray Observatory)和太空红外望远镜(Space Infrared Telescope Facility)并驾齐驱，才是真正史无前例的“大天文台”。

世事难预料。1991年被亚特兰蒂斯号航天飞机带上轨道的康普顿望远镜在围绕地球51658周、完成了大量观测工作后，因为陀螺仪故障，于2000年6月4日坠入太平洋，6.7亿美元随之烟消云散。1999年7月发射升空的钱德拉望远镜，固然是迄今为止最好的X射线望远镜，拥有8倍于此前X射线望远镜的高分辨率和20到50倍的敏感性，但却叫好不叫座，行内人赞不绝口，平常人等却知之甚少。而因为经费的限制和自身设计的多次改变，简称为SIRTF的太空红外望远镜的研发过程一再拖延。如此，只剩下老迈年高的哈勃，犹自在那里一枝独秀下去。

不过，如果不出意外的话，这种局势将在今年4月15日美国东部时间清晨4时34分07秒之后被打破。届时，本来“在1990年就该完成首次飞行”(出自NASA备忘录)的SIRTF望远镜终于将被发射升空，目光直指古老的宇宙，穿透迷蒙的星云，寻找那些几乎不发出任何热量的天体。如SIRTF项目科学家迈克尔·沃纳(Michael Werner)所言，SIRTF的终极目标，就是那“古老、寒冷、星尘弥漫的深空”。

在NASA科学家的口中，SIRTF有时也会被称为“哈勃之子”。虽然听上去感觉有些乱了辈分，其实也并非没有道理，毕竟，SIRTF所侧重的红外光观测在哈勃望远镜的观测范围之内。但雏凤清于老凤声，运用了最新的技术，SIRTF在红外波段的观测能力却是老哈勃所无法企及的。沃纳形象地比喻道：“哈勃望远镜只在红外波段(的大河)中湿了湿脚趾头，SIRTF却是中流击水，勇往直前。”

红外光不能为人类的肉眼察觉，与可见光相比，它的波长更长，能量较低。它通常只与热相关，也就是说，只要有温度的物体，就会发出红外光，不管是一杯咖啡还是整个星球。红外光的这一物理特性是红外天文学的基础。诞生于20世纪60年代的这一天文学分支，旨在通过对波长在1微米(近红外)到200微米(远红外)的光波的观测，研究宇宙中恒星形成的星尘和星云等低温环境，找出从前无法观测到的宇宙中的其他物质，并进而为宇宙的形成原因找出合适的解答。

然而，红外天文学的优势当遇到技术实现问题时，却变成了它的劣势。在室温下进行红外观测几乎是不可能的，来自天体的信号一下子就会淹没在望远镜本身释放的红外能量中。因此，望远镜本身的温度必须非常之低，近乎绝对零度(零下273摄氏度)。但是，由于地球大气层吸收了绝大部分来自太空的红外光，要实现准确的观测，红外天文望远镜必须位于大气层之上，必须使用太空飞行器将其带到太空——而绝大多数太空飞行器的控制系统都要求在室温或相对较高的温度下运行。同时，还必须确保望远镜可以免受太阳辐射的热量的危害。设计制造这样一个一部分足够冷、另一部分足够热的结实的飞行器，首先就是技术上的一项挑战。

1995年到1998年间，欧洲宇航局(ESA)曾经非常成功地完成了名为“红外太空观测站”(Infrared Space Observatory，简称为ISO)的项目。时隔5年之后，同ISO相比，SIRTF在技术性能的各个方面都已经有了令人惊异的提高。这不仅表现在它足足为ISO的1000倍的强大功率上，还在于它所采用的多项最新太空观测技术。

SIRTF最大的创新无疑是它独特的低温学结构。以往的红外望远镜必须被藏在一个巨大的盛满液氦的低温保持器中，这在天文学中被称为“冷发射”结构。但SIRTF却使用了创新的“暖发射”(warm launch)结构。除了极少的一部分仪器设备，整个望远镜主体部分都可以在常温下被发射升空，然后在轨道上自然冷却。在发射几个星期后，望远镜的自身温度就可以降到40K以下。这时，望远镜会与外壳的低温望远镜组件脱离，液氮沸腾，产生蒸气，进一步将其冷却到5.5K的适宜操作温度。

SIRTF还采用了一种非常先进的“轨道智能选择”技术。为了尽可能减少太阳和地球辐射的热量对望远镜的干扰，SIRTF并没有位于地球轨道上。相反，它会像一个跟在地球后面的小尾巴，在地球公转时亦步亦趋，围绕太阳旋转。这不仅能保证SIRTF受太阳光波的影响最小，还使它的体积和重量都大幅度减少——因为可以不必携带大量的冷却剂而迅速降温。同时，它也缩减了整个SIRTF项目的开支。

SIRTF的另一项创新在于其观测数据的存储和弃置技术的革新。装备了最新的固态内存和无损数据压缩软件的SIRTF类似于一个天文数据的中转站。从天线传回望远镜的数据将以每天一次到两次的频率与地球上的天文望远镜获得的数据同步。平均数据获取率达到85千位/秒(Kbps)。NASA期望，在SIRTF预计期限5年的寿命中，将能够获得10万次以上的天文观测结果。(图片均为NASA/JPL-Caltech提供)

与SIRTF有关的数据和事实

SIRTF将要观测的大多数对象温度只比绝对零度高十几或几十度。位于海王星和冥王星轨道外的柯伊伯带(Kuiper Belt)是SIRTF观测的重点。有天文学家认为，在那里可以找到太阳系形成时的证据。那里的天体温度通常只有50到70K，最冷的可以达到15到25K。

跟在地球后面的SIRTF围绕太阳旋转的速度比地球慢，大约每年要落下1500万公里，相当于太阳与地球之间距离的1/10。

SIRTF的许多设计都是因为经费短缺而逼出来的灵感。1990年时，设计中的SIRTF重达6吨，携带3800升冷却剂。在两次重新设计和一次彻底否决后，现在的SIRTF重量只有950公斤，携带的液氦不足250升。这样，发射新的SIRTF将不再需要使用推动力极为巨大的火箭，又节省了一笔开销。 天文红外技术望远镜