NASA斯皮策紅外任務將於2020年結束,天文學領域將出現空白

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的延誤將導致至少一年的空間紅外觀測中斷

這張藝術家概念圖展示了NASA的斯皮策太空望遠鏡。

編者注 (2020年1月21日):在2020年1月30日,航天器控制人員將向NASA的斯皮策太空望遠鏡傳送最終關閉指令,為這座天文臺為期16年的任務畫上句號。這篇2019年的報道詳細介紹了關閉的原因,回顧了斯皮策的遺產,並討論了在天文臺的繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡首次亮相之前,紅外天文學領域將持續存在的空白。

2016年,NASA的斯皮策太空望遠鏡對一顆名為TRAPPIST-1的遙遠恆星進行了500小時的觀測。科學家們利用該望遠鏡獨特的紅外功能,在這顆恆星周圍發現了四顆大致地球大小的系外行星,加上之前在該系統中發現的其他三顆。迄今為止,還沒有其他恆星被證實擁有如此多的小型世界。最令人印象深刻的是,斯皮策最初的設計目的並不是為了尋找系外行星。“當斯皮策在20世紀80年代首次構思時,[系外行星]甚至還沒有被發現,”加州理工學院NASA系外行星科學研究所執行主任查爾斯·貝奇曼說。

斯皮策對TRAPPIST-1的觀測證明了這架望遠鏡的表現遠超預期。斯皮策於2003年發射,是NASA四大“偉大天文臺”中最後一個升空的,其他三個分別是哈勃太空望遠鏡、康普頓伽馬射線天文臺和錢德拉X射線天文臺。斯皮策幫助開創了天文發現的新黃金時代。即使在今天,儘管其硬體老化,該望遠鏡仍然在產生重要的科學貢獻——很大程度上是因為地球大氣層阻擋了大部分紅外光,使得基於太空的觀測成為觀測整個紅外天空的唯一選擇。例如,它仍然可以說是目前研究系外行星大氣層中是否存在宜居性和生命跡象的最佳望遠鏡。


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但斯皮策的任務現在即將結束。2019年5月,NASA確認該望遠鏡將於2020年1月30日退役,為一個原計劃僅持續兩年半的不可思議的任務畫上句號。然而,由於每年僅需1400萬美元的適度運營成本,並且有建議稱斯皮策本可以至少執行到2020年11月——彌合自身與嚴重延誤的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST),即NASA的下一代紅外太空望遠鏡之間的差距——這一結論讓一些天文學家感到心情複雜。

“情況有點複雜,”NASA噴氣推進實驗室斯皮策專案經理麗莎·斯托裡-隆巴迪說。“他們將把這筆錢花在其他方面。最初,這一切都很有道理。如果我們現在讓斯皮策退役,JWST本應已經升空,但現在情況有點不那麼明朗了。斯皮策一直能夠做出偉大的科學成果,並且仍在這樣做;它將以輝煌的成績結束。對於斯皮策能做的事情來說,1400萬美元是一個非常划算的價格。”

斯皮策任務上次正式考慮退役是在2016年春季,當時JWST——比斯皮策大50倍,並在紅外功能方面有了巨大的改進——計劃於2018年發射。當時,航天局的決定是斯皮策將在2019年退役,與JWST重疊,完美地交接紅外接力棒。然而,不久之後,NASA被迫推遲了JWST的發射,先是推遲到2019年,然後是2020年,最終最早推遲到2021年3月。NASA官員選擇將斯皮策的任務延長至2020年1月以作補償,但計算表明,在此日期之後繼續執行望遠鏡的回報將急劇減少。

這在斯皮策和JWST之間的紅外能力方面留下了一個空白,可能會對整個天文學產生負面影響。擁有一架隨時待命的紅外太空望遠鏡對於跟蹤某些事件非常有用,例如NASA凌星系外行星巡天衛星的系外行星發現,或LIGO聯合組織的引力波發現,就像2017年對兩顆合併的恆星所做的那樣,甚至探測神秘物體從星際空間穿過我們的太陽系。“如果沒有斯皮策,可能無法獲得這些資訊,”JPL斯皮策專案科學家邁克爾·沃納說。

儘管斯皮策的運營成本相對適中,但在不久的將來關閉該望遠鏡是有充分理由的。它在其地球尾隨軌道上緩慢地遠離我們的星球,需要斯皮策以更高的角度傾斜,才能將傳輸訊號傳送回家,並減少照射到航天器太陽能電池板上的陽光量。過去它可以無限期地傳輸訊號,而現在每天只能維持兩個半小時,電池就會耗盡。斯皮策離地球更遠也意味著與地面通訊變得更加困難,而此時望遠鏡的硬體正接近其極限。“硬體正在老化,與其走向我們無法恢復的故障,我們只是想優雅地結束任務,”NASA總部位於華盛頓特區的副專案科學家卡提克·謝思說。

2009年,該任務的冷卻劑也耗盡,無法保持其紅外儀器的低溫。科學家們沒有結束任務,而是決定進入“溫暖階段”,利用斯皮策剩餘的兩個可操作的紅外探測器對宇宙進行深度巡天並尋找系外行星。“我們肯定失去了一些能力,”貝奇曼說。“但是,人們認為溫暖任務只是寒冷任務的一個小小的補充,但它卻進行得非常出色。我認為這讓[斯皮策的]建造者感到驚訝。”

NASA天體物理學部主任保羅·赫茨堅持認為,結束任務的決定不是基於資金,而是基於望遠鏡的執行能力。“我們不是因為成本而讓斯皮策退役,”他說。“我們讓它退役是因為操作越來越困難和風險越來越大,這降低了任務的科學價值。這不是最近才決定的事情;相反,自2016年春季做出決定以來,我們一直在朝著任務結束的方向努力。”

曾有人建議該望遠鏡可以堅持到2020年11月,2017年,NASA曾試圖尋找一傢俬人實體來接管航天器的資金,以使其完成最後階段的執行。他們沒有成功,斯托裡-隆巴迪指出,由於上述問題,任何延期都可能是一個有所縮減的任務。“2020年代會發生的情況是,我們下行鏈路傳輸資料的速率會降低,”她說。“我們可以獲取科學資料,但可能會減少。就目前我們的執行方式而言,2020年初是結束任務的合理時間。”

幾乎是不顧其衰落,斯皮策的最後幾個月將充滿科學成果。從現在到任務結束,最大的挑戰將是避免任何可能在指定結束日期之前使望遠鏡無法使用的異常情況。但假設一切順利,斯皮策將在未來七個月內收集大量資料,這些資料將需要數十年時間來分析,並緩解在JWST問世之前的空白期——包括對矮恆星、我們銀河系中心以及當然還有系外行星的觀測。

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