作者：周武

　　四大空间望远镜之一的空间红外望远镜将于8月23日发射，本报记者特采访了从事空间探测研究和教学30多年的北京大学地球与空间科学学院的焦维新教授，请他谈谈空间红外天文观测技术的发展和空间红外望远镜的技术进步点。

　　空间红外观测　描绘宇宙早期的秘密

　　记者：焦教授，世界各国已发射了一系列空间望远镜，为什么还要专门发一颗红外空间望远镜呢？

　　焦维新：这得从红外的特性说起。人眼能看到的光称为可见光，主要集中在0.38微米～0.78微米附近的谱段内。其中又可细分为紫、蓝、青、绿、黄、橙、红七色光。那么在红光以后就没有其它光线了吗？其实不然，红光以后很长一段频率就是红外线，只是人眼看不到而已。1800年，英国物理学家赫胥尔在研究各种色光的热量时，有意地把暗室中唯一的窗户用木板堵住，并在板上开了一条矩形的孔，孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过这个棱镜时，便被分解成彩色光带。在试验中，他突然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的温度计，比室内其它温度计的指示值都要高。经过多次试验，这个所谓含热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是赫胥尔宣布，太阳发出的光线中除可见光外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，因而叫做红外线。

　　红外线其实也是一种电磁波，其波长范围从0.78微米到1000微米。为了研究上的方便，红外线被科学家划分为三个波段，近红外：波长为0.78微米～3.0微米，中红外：波长为3.0微米～20微米，远红外：波长为20微米～1000微米。

　　红外线的发现标志着人类认识自然的又一次飞跃，而航天技术的发展为红外观测呈现了一片广阔的视野。温度低于4000K的天体辐射主要集中在红外区，除了少数窗口外，地球大气层吸收了上述天体几乎所有的红外辐射。只有在天上架上高灵敏的空间望远镜才能进行空间红外观测。

　　记者：空间红外观测瞄准什么呢？

　　焦维新：宇宙中从微米大小的尘埃到巨大的行星，它们的温度范围是3K～1500K。在这个温度范围内，物体辐射的大多数能量位于红外区。因此，红外观测对研究低温环境，例如恒星正在其中形成的多尘恒星云和行星的卫星及小行星冰盖表面是非常重要的。

　　由于宇宙尘埃粒子遮蔽了可见宇宙的一部分，而在红外波段尘埃是透明的，红外观测可探索隐藏的宇宙，探测可见光波段看不见的区域，例如我们银河的中心、恒星以及行星正在那里形成的稠密星云。

　　所有分子以及固体的发射和吸收带都位于红外区域，红外可用于探测冷天体环境状态。许多原子和离子在红外的谱特征可用于诊断恒星大气层和星际气体，这些区域或是由于太冷，或是由于太多的尘埃掩盖而不适宜用可见光观测。

　　空间红外观测可以追溯宇宙早期生命。宇宙膨胀产生的宇宙红移，不可避免地会使能量向长波长端移动，其移动量与物体的距离成正比。又由于光速不变，因此观测到的高红移的物体是它们处于宇宙很年轻时的状态。恒星、星系和类星体开始发射的大多数可见光和紫外辐射，现已位于红外。宇宙中的第一个物体是怎样和什么时候形成的，都可通过红外观测了解到。

　　空间红外望远镜　填补空间观测的空白

　　记者：美国即将发射的空间红外望远镜(SIRTF)有什么特色？

　　焦维新：空间红外望远镜(SIRTF)是美国宇航局“大型观测平台”系列中的最后一台望远镜，前三台分别是哈勃空间望远镜、康普顿伽马射线望远镜和钱德拉X射线望远镜。SIRTF的发射重量为950千克，其中观测器重851.5千克，外壳重6.0千克，氦(制冷剂)重50.4千克，氮推进剂重15.6千克。SIRTF望远镜主反射镜的直径为85厘米。SIRTF最短寿命为2.5年，目标寿命在5年以上。SIRTF的轨道是“尾随地球的日心轨道”，即躲在地球后面，与地球保持同样的角速度绕太阳旋转。

　　记者：哈勃空间望远镜上也配备了红外望远镜设备，这与SIRTF有什么区别？

　　焦维新：哈勃空间望远镜上除了可见光相机，还有紫外和红外相机，但它的红外相机主要是针对近红外。而STIRF是专门用于红外观测的卫星，观测的波长范围在3微米～180微米。SIRTF望远镜主反射镜的直径为85厘米，是目前孔径最大的红外望远镜，可以观测到其他望远镜所不能观测到的信息。因此，SIRTF是其他三大望远镜的重要科学补充。

　　记者：SIRTF上面有那些先进的科学仪器？

　　焦维新：SIRTF的科学仪器有红外阵列照相机(IRAC)、红外光谱仪(IRS)和多波段成像光度计(MIPS)。其主要创新点有，红外探测器阵灵敏度是地基红外望远镜的上千倍，先进的阵列式红外探测设备可观测到超过目前任何空间天文望远镜上百万倍远的观测距离。

　　红外阵列照相机是一个4通道照相机，能同时在3.6微米、4.5微米、5.8微米及8微米提供近红外和中红外图像。红外光谱仪在中红外提供高、低分辨率的光谱。它有4个独立的模块：一个低分辨率的短波长模块，覆盖5.3微米～14微米的间隔；一个高分辨率的短波长模块，覆盖10微米～19.5微米；一个低分辨率的长波长模块，覆盖14微米～40微米的间隔；一个高分辨率的长波长模块，覆盖19微米～37微米。多波段成像光度计有3个探测器阵：128×128个阵元的探测器阵在24微米成像，32×32个阵元的探测器阵在70微米成像，2×20个阵元的探测器阵在160微米成像。

　　记者：为什么要采用这种“尾随地球的日心轨道”？

　　焦维新：红外探测器要求在极低温度下工作，采用这种“尾随地球的日心轨道”，可使SIRTF有一个良好的热环境。SIRTF处在地球背面的拉格朗日点上，与地球保持同样的角速度绕太阳公转，并且，在围绕日心运行时，将在地球背面飘移，以0.1AU／年(1AU等于地球到太阳的平均距离，大约为1.5亿千米)的速度远离地球。因为地球不仅反射来自太阳的可见光，而且本身也发射红外辐射，任何在地心轨道运行的卫星都沉浸在温度超过250K的环境内，而漂移的日心轨道可使SIRTF进入深空，那里的环境温度大约保持在30K～40K。利用大自然作为冷却源，望远镜可携带很少的液氦，大大减轻了自身重量。

　　记者：SIRTF如何保持太阳电池阵的供电问题？

　　焦维新：确实，采用这种轨道会限制SIRTF的视觉：为了加热太阳帆板，望远镜不能背离太阳方向120°，但因为怕热，望远镜也不能以80°的角度观测太阳。SIRTF的观测区域面积一年会有两次极小值，持续时间大约40天。

　　记者：SIRTF上携带的冷却剂数量是否就决定了它在轨的寿命？

　　焦维新：对，根据设计，SIRTF带的液氦最多可支持它运行5年。

　　以前的空间红外望远镜都由巨大的制冷器掩盖，以使望远镜在接近绝对零度的温度下发射，而SIRTF在环境温度下发射，通过深空环境来冷却，只有探测仪器等密封在含有制冷机的真空壳内。进入预定轨道后，需用一星期的时间使望远镜外壳冷却至50K，然后望远镜设备和外壳的热传递被切断，几个星期后，望远镜冷却至5.5K，仪器冷却至1.4K，整个望远镜就可正常工作了。

　　记者：SIRTF的具体任务有哪些？

　　焦维新：它的研究内容包括4个课题：寻找褐矮星和超新星；发现和研究围绕恒星的碎片盘；研究极亮的红外星系和活动星系；研究早期的宇宙。

　　记者：红外天文观测为我们打开了另外一个世界，它的远景如何？

　　焦维新：到目前为止，红外空间探测取得的一些成果，主要局限于太阳、行星和星际空间，由于电离氢的自由吸收，要越过太阳系探索遥远的宇宙，在技术上还有一定的困难。

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　　空间红外观测硕果累累

　　1983年1月25日，由美、英及荷兰研制的红外天文卫星升空，该卫星扫描了96%的天空，大约探测到了50万个红外源。第一次揭示了银河系核的特征。

　　1989年11月，美国发射了宇宙背景探测器，到1993年12月23日使命结束时，它在几个红外波长绘制了全天空亮度，发现宇宙背景不完全是平滑的，温度有小的变化。科学家推断这些变化可能导致了星系的形成。

　　1995年3月18日，日本发射了空间红外望远镜(IRTS)，虽然它只飞行了28天，但扫描了7%的天空，获得了星际物质和恒星及行星际尘埃的知识。

　　1995年11月～1998年4月，欧空局红外空间观测台在2.5微米～240微米的谱段巡天，发现了在星际云中凝聚成恒星的“星胚”等许多细节。