2003年8月25日，作為NASA的大型軌道天文臺計劃之一，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡成功升空，進(jìn)入太陽軌道，跟在地球的后面。在過去的15年間，兢兢業(yè)業(yè)的斯皮策作出的發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)超乎當(dāng)年設(shè)計者對它的期待。斯皮策不僅發(fā)現(xiàn)了宇宙中最古老的星系，還揭示了圍繞著土星的一個新的環(huán)，更是透過重重的塵埃云，瞥見了新生的恒星。
○ 斯皮策的最初計劃是要在太空進(jìn)行至少2.5年的主要任務(wù)，但它的任期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期壽命。在過去的15年間，斯皮策經(jīng)歷了三個階段的不同任務(wù)：“冷任務(wù)”（綠色）、“溫任務(wù)”（橙色）和“超越階段”（紫色）。圖中可以看到不同任務(wù)與地球之間的位置變化。| 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
NASA的大型軌道天文臺計劃旨在發(fā)射四臺大型空間望遠(yuǎn)鏡，在不同的波段探索宇宙。另外三臺望遠(yuǎn)鏡分別是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡和康普頓伽馬射線望遠(yuǎn)鏡。結(jié)合來自不同望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，科學(xué)家得以描繪一幅更加完整的宇宙圖景。
斯皮策主要負(fù)責(zé)紅外波段的觀測。紅外線通常來自于熱輻射，具有多種用途，例如在地球上，人們使用的夜視儀器等設(shè)備便是基于紅外線技術(shù)而得的。而在宇宙中，從恒星誕生之地的湍流云到接近地球軌道的小行星，許多現(xiàn)象都可以用紅外線來觀測。尤其是那些太暗、太遠(yuǎn)，或隱藏在太空塵埃背后的現(xiàn)象，只有具有紅外視覺的斯皮策才有機(jī)會觀測到它們。
為了紀(jì)念這個特殊的日子，我們用15張圖片來為大家介紹，在這15年間，斯皮策作出的15項偉大發(fā)現(xiàn)：
15. 第一幅系外行星的氣象圖
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA
雖然斯皮策任務(wù)的設(shè)計者們從來沒打算讓它來研究太陽系以外的行星，但它在紅外波段的探測能力已被證明是在這一領(lǐng)域中寶貴的工具。
2009年5月，科學(xué)家利用斯皮策取得的數(shù)據(jù)，繪制了第一幅系外行星的“氣象圖”。這張系外行星氣象圖描繪了一顆巨大的氣體行星HD189733b表面的溫度變化。此外，該研究還揭示了可能穿過那顆星球大氣層的狂風(fēng)。圖中所示的是我們對行星HD189733b的藝術(shù)構(gòu)想。
14. 隱藏的新生恒星搖籃
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA
與可見光相比，紅外線在大多數(shù)情況下能更好地穿透氣體云和塵埃云。因此，斯皮策可為觀測恒星誕生的區(qū)域提供前所未有的視角。斯皮策望遠(yuǎn)鏡拍攝的這張照片所顯示的，是在心宿增四星云（Rho Ophiuchi，別稱蛇夫座ρ）里的新生恒星，從它們誕生時的塵埃層下若隱若現(xiàn)的樣子。
天文學(xué)家們稱之為“Rho Oph”（盧眼），是離太陽系最近的恒星形成區(qū)域之一。它在天空中位于天蝎座與蛇夫座星座附近，距離地球約410光年。
13. 不斷壯大的星系大都市
○ 圖片來源：Subaru/NASA/JPL-Caltech
2011年，天文學(xué)家利用斯皮策探測到了一個非常遙遠(yuǎn)的星系群，名叫COSMOS-AzTEC3。從這個星系群發(fā)出的光經(jīng)過了120億年才抵達(dá)地球。
天文學(xué)家認(rèn)為，像這樣的天體應(yīng)被稱為原星團(tuán)（proto-cluster），最終會成長為現(xiàn)代星系團(tuán)，或由引力束縛在一起的星系群。COSMOS-AzTEC3是當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)的原始星團(tuán)。它為研究人員提供了一個更好的視角，來了解在整個宇宙歷史中，星系是如何形成并演化的。
12. “彗星湯”的配方
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
2005年7月4日，當(dāng)NASA的深度撞擊號宇宙飛船故意撞擊坦普爾1號彗星（Tempel 1）時，它噴出了一團(tuán)含有太陽系的原始“湯”的物質(zhì)成分。天文學(xué)家將深度撞擊號與斯皮策望遠(yuǎn)鏡觀測到的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，對這些物質(zhì)進(jìn)行了分析，并開始確定最終形成了我們的太陽系中的行星、彗星和其他天體的成分。
在這個彗星塵埃中發(fā)現(xiàn)的許多成分都是已知的彗星成分，如硅酸鹽或沙子。但也有一些令人驚訝的成分，如粘土、碳酸鹽（能存在于海貝中的成分）、含鐵化合物，以及能在地球上的燒烤市場或汽車尾氣中發(fā)現(xiàn)的芳香烴。研究這些成分為了解太陽系的形成提供了重要的線索。
11. 已知的最大土星環(huán)
○ 圖片來源：Keck/NASA/JPL-Caltech
土星擁有令人驚嘆的環(huán)系統(tǒng)，想必你也見過許多與土星環(huán)有關(guān)的圖片。但是這些圖片并沒有顯示出土星最大的一個環(huán)。這一層環(huán)是一群圍繞土星運行的顆粒的集合，它們離土星的距離比其他任何已知的土星環(huán)都要遠(yuǎn)得多。這個環(huán)的起點距離土星約600萬公里，比土星直徑寬約170倍，厚度是土星直徑的20倍。如果我們的肉眼能看到這個最大的土星環(huán)，就會發(fā)現(xiàn)它在天空中是滿月大小的兩倍。
土衛(wèi)九（Pheobe）是離土星最遠(yuǎn)的衛(wèi)星之一，它就位于這一土星環(huán)內(nèi)，并很可能是這層環(huán)的物質(zhì)來源。這層土星環(huán)中的顆粒數(shù)量相對較少，因此并不會反射太多的可見光，尤其是在土星的外軌道上陽光很弱，也就使得它隱藏了這么久才被發(fā)現(xiàn)。斯皮策能夠探測到環(huán)內(nèi)冷卻塵埃的光輝，其溫度大約為零下193攝氏度，也就是80開爾文。
10. 太空中的巴基球
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
巴基球是球形的碳分子，在表面上有像足球那樣的六邊形-五邊形的圖案。巴基球這一結(jié)構(gòu)是因它與建筑師Buckminster Fuller（巴克敏斯特·富勒）設(shè)計的網(wǎng)格穹頂相似而得名。這些球形分子屬于巴克敏斯特富勒烯（buckminsterfullerenes）或富勒烯類的分子，在醫(yī)學(xué)、工程和儲能領(lǐng)域都有許多的應(yīng)用。
斯皮策是第一個在太空中識別出巴基球的望遠(yuǎn)鏡。它在一顆瀕死恒星Tc1周圍的物質(zhì)（或行星狀星云）中發(fā)現(xiàn)了這些球體。位于Tc1中心的恒星曾與我們的太陽非常相似，但隨著年齡的增長，它的外層開始脫落，只留下一顆致密的白矮星。天文學(xué)家認(rèn)為，巴基球是由從恒星上吹下來的碳層形成的。利用斯皮策的數(shù)據(jù)進(jìn)行的后續(xù)研究，讓科學(xué)家們更多地了解了自然界中這些獨特的碳結(jié)構(gòu)的普遍存在性。
9. 太陽系中的碰撞
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
斯皮策已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了發(fā)生在遠(yuǎn)處太陽系的幾次巖石碰撞的證據(jù)。這種類型的碰撞在我們太陽系的早期非常常見，并在行星的形成中起到了一定作用。
在一系列特別的觀測中，斯皮策發(fā)現(xiàn)了一顆年輕恒星周圍的塵埃噴發(fā)，這可能是兩顆較大的小行星相撞而導(dǎo)致的結(jié)果。當(dāng)噴發(fā)出現(xiàn)時，科學(xué)家已經(jīng)在對這一系統(tǒng)進(jìn)行觀測了，這標(biāo)志著科學(xué)家第一次收集到了這些塵埃噴發(fā)前后的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
8. 第一次“接觸”系外行星的大氣層
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
2007年，斯皮策成為第一個直接識別出系外行星大氣層中的分子的望遠(yuǎn)鏡?？茖W(xué)家使用了一種光譜學(xué)技術(shù)，來鑒別兩顆來自不同氣體系外行星的化學(xué)分子。這兩顆系外行星被名為HD 209458b和HD 189733b，是由氣體（而非巖石）構(gòu)成的所謂的“熱木星”，與我們太陽系中的氣體行星與太陽的距離相比，熱木星的軌道距離它們的母恒星要近得多。對系外行星的大氣組成的直接研究，是朝著有朝一日能在巖石系外行星上發(fā)現(xiàn)生命跡象的可能性邁出的重要一步。這張圖所展現(xiàn)的就是熱木星的可能樣貌的藝術(shù)構(gòu)想圖。
7. 遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
在大多數(shù)星系的中央，都潛伏著一顆超大質(zhì)量黑洞。利用斯皮策望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今為止距離我們最遙遠(yuǎn)的兩個超大質(zhì)量黑洞，使得我們得以窺探宇宙中星系形成的歷史。
星系黑洞通常被塵埃與氣體組成的結(jié)構(gòu)所包圍，它們會為黑洞提供“食物”。這些黑洞與圍繞著它們的吸積盤被稱為類星體。斯皮策望遠(yuǎn)鏡探測到的兩個類星體所發(fā)出的光，穿越了130億年才抵達(dá)地球，這意味著它們在宇宙誕生后不到10億年就已經(jīng)形成了。
6. 最遙遠(yuǎn)的行星
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
2010年，斯皮策幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今為止已知的最遙遠(yuǎn)的行星之一，它距離地球約13000光年。過去的大多數(shù)已知系外行星與地球的距離約在1000光年以內(nèi)。這張圖就顯示了它們的相對距離。（紅色區(qū)域顯示的是大部分已知系外行星所在的范圍，白色箭頭標(biāo)識的為太陽系的位置，而更靠近中央位置用淡黃色文字標(biāo)注的，即為新發(fā)現(xiàn)的遙遠(yuǎn)系外行星。）
斯皮策利用地面望遠(yuǎn)鏡的協(xié)助，以及一種名為微引力透鏡的行星搜尋技術(shù)完成了這項任務(wù)。這種方法依賴于一種被稱為引力透鏡的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，光會被引力彎曲并放大。從地球上看，當(dāng)一顆恒星從一顆更遙遠(yuǎn)的恒星前面經(jīng)過時，前景恒星的引力就可以彎曲并放大背景恒星所發(fā)出的光。如果一顆行星圍繞著前景恒星運行，那么行星的引力能產(chǎn)生放大效應(yīng)，并給放大后的光線上留下獨特的印記。
這一發(fā)現(xiàn)為想要知道在銀河系的不同區(qū)域，行星數(shù)量是相似還是具有明顯差異的科學(xué)家，提供了又一條重要線索。
5. 來自系外行星的第一束光
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech
斯皮策是第一個對系外行星進(jìn)行直接觀測的望遠(yuǎn)鏡。在它之前，我們只是間接地觀測過系外行星。這一成就開啟了系外行星科學(xué)的新紀(jì)元，并為在巖石系外行星上探索生命跡象的旅程，記錄下了一個重要的里程碑。
2005年發(fā)布的兩項研究報告稱，斯皮策直接觀測到了兩顆先前就已探測到的“熱木星”行星（HD209458b和TrES-r1）發(fā)出的熱紅外輝光。在前文中我們就已經(jīng)提到過熱木星，它們是類似于木星或土星的氣態(tài)巨行星，其位置非?？拷负阈?。從它們所在的溫暖軌道上，它們吸收了充足的星光，在紅外波長下釋放出明亮的光芒。
4. 發(fā)現(xiàn)小小行星
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Northern Arizona University/SAO
斯皮策望遠(yuǎn)鏡的紅外波段視力，既能讓它能夠研究一些最遙遠(yuǎn)的天體，也能用來研究離地球非常近的小天體。特別值得一提的是，斯皮策已幫助科學(xué)家識別并研究了許多近地小行星。NASA對這些天體進(jìn)行了監(jiān)測，以確保它們不會與我們的地球發(fā)生相撞。
斯皮策望遠(yuǎn)鏡對于描述這些近地小行星的真實大小非常有用，因為它能直接探測到從小行星輻射出的紅外光。相比之下，小行星并不能發(fā)出可見光，只能反射太陽光；因此，可見光或許能顯示小行星的反射率，但不一定能顯示它們的大小。斯皮策已被用來研究許多寬度小于100米的近地小行星。
3. 一張前所未有的銀河系地圖
○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech/University of Wisconsin
2013年，科學(xué)家結(jié)合了斯皮策望遠(yuǎn)鏡在10年間拍攝到的超過200萬張的圖像，制作出了迄今為止最廣的銀河系地圖。對銀河系進(jìn)行觀測著實是一項挑戰(zhàn)，如前文所提到的那樣：塵埃會阻擋可見光，使得銀河系的整個區(qū)域都被遮蓋了；而紅外光能比可見光更好地穿透塵埃區(qū)域，從而揭示星系中被隱藏的部分。
對斯皮策的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，科學(xué)家得以更好地繪制銀河系的螺旋結(jié)構(gòu)和它中心的“棒”。在斯皮策的幫助下，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了新的遙遠(yuǎn)的恒星形成區(qū)域，并揭示了星系中所擁有的碳要比預(yù)期的更多。
2. “大嬰兒”星系
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○ 圖片來源：NASA/JPL-Caltech/ESA
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