红外空间天文台：宇宙探索的璀璨明珠

2024-12-19 11:11世界奇闻

天文学家一直在努力探索宇宙，但由于地球大气会吸收紫外线、红外线等波段的光，地面观测受到严重限制。为了避免这些影响，天文学家不断寻找新的观测方式。

20世纪60年代，气球携带探测仪器进行红外观察成为可能，但由于观测时间短、稳定性差，这种方法的效果有限。1974年，美国宇航局发射了柯伊伯机载天文台（KAO），其搭载着一个直径0.915米的反射式望远镜，在平流层进行红外观测，能观测到85%的红外波长，并进行长达7.5小时的连续观测。它的大量成果极大推动了红外天文学的发展，包括拍摄银河系中心及其他星系的远红外图像、研究恒星形成区域中的水和有机分子分布，并发现天王星环和冥王星大气层。

尽管机载天文台有所优势，但仍无法探测到全部红外光且受飞机振动影响。因此，发射红外波段的空间望远镜成为最佳选择。1983年，美国、荷兰与英国共同发射了第一款红外空间望远镜——红外天文卫星（IRAS）。这颗卫星扫描了96%的天空，发现了约35万个红外发射源以及4颗小行星和6颗彗星。然而，由于液氦制冷剂限制，IRAS在工作9个多月后即告结束。此背景下，红外空间天文台（ISO）应运而生。

1995年11月，由欧洲航天局（ESA）主导，美国宇航局（NASA）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）参与合作，红外空间天文台（ISO）成功发射。这标志着国际在红外天文学领域的合作又迈出坚实一步。三方充分发挥各自优势，共同探寻宇宙的奥秘。

ISO重2.5吨，主镜直径0.6米，运行在近地点1000千米、远地点70600千米的大椭圆轨道。与地球自转速度一致的24小时环绕周期大大便利了地面科研人员的观测操作，提高了使用效率。

ISO携带四台先进观测仪器：ISOCAM、ISOPHOT、SWS和LWS。ISOCAM可观测2.5至17微米的波段，偏光照相机ISOPHOT用于观察单一天体的红外辐射总量。SWS的波长范围为2.4-45微米，LWS则涵盖了45-196.8微米。这些仪器的紧密协作，将ISO的观测能力拓展到2.5至240微米，提供了更丰富的观测数据。

ISO较之前的IRAS显著扩展了观测波长范围至2.5至240微米，为天文学家开辟了新的观测可能性，提供了深入宇宙认知的平台。ISO能够捕捉到更多由不同天体发出的红外信号，揭示更多宇宙奥秘。

ISO在12微米波段的灵敏度提高了1000倍，大大提高了探测微弱红外信号的能力，能够观察到遥远星系中恒星形成区域及死星周围的细微变化。

角分辨率提升100倍，使ISO能够更精确地分辨天体的细节，对于研究天体结构、形态和演化至关重要。通过这种观测，天文学家可以更好地理解恒星形成、行星大气组成及星系演变。

ISO携带283千克液氦制冷剂，远超IRAS的73千克。液氦作为超低温制冷剂，将望远镜冷却至极低温度，减少自身红外干扰，提高观测准确性和灵敏度。

大量液氦延长了ISO的使用寿命至将近两年半，提供了更多观测时间和机会，带来了丰硕的观测成果。例如，它在垂死恒星周围发现了年轻行星，还通过红外光谱仪测定了遥远天体的物质组成，包括在星际气体云中首次检测到氟化氢分子，以及在猎户座大星云中探测到水分子的存在。这些发现为理解宇宙的化学演化和生命起源提供了关键线索。

ISO在垂死恒星周围发现年轻行星的重大发现，使天文学家重新审视关于行星形成的理论。

ISO还成功测量了多颗太阳系内行星大气的化学组成，为研究行星的形成和演化提供了重要数据。

首次在星际气体云中检测到氟化氢分子，证明宇宙中存在复杂化学过程，这些过程与生命的起源和演化相关。在猎户座大星云中探测到的水分子，进一步推动了对宇宙生命起源的研究。

ISO在仙女座大星云M31的发现包括前所未见的同心环，这些环由温度极低的气体和尘埃组成，新恒星正在其中形成。

在5500光年外的三叶星云M20，ISO发现大质量中心星促进着第二代恒星的产生，帮助理解恒星的演化过程。

通过深空巡天，ISO研究了1000多个活跃星系，揭示了大规模恒星形成的过程。许多星系通过光学望远镜无法如此清晰地观察到，它们被认为在大约100亿年前诞生于星系形成的黄金时代。

ISO的成功发射和运行对红外天文学的发展有深远影响，为后续空间望远镜发展提供了宝贵经验。

总之，红外空间天文台（ISO）在红外天文学领域留下重要里程碑，对领域发展及后续空间望远镜的推进有不可磨灭的影响。ISO的贡献将在宇宙探索的历史中留下深刻烙印。