【新超越极限244e】超越极限，斯皮策的15个重大发现

斯皮策太空望远镜。

| 图片来源：NASA/JPL-Caltech

2003年8月25日，作为NASA的大型轨道天文台计划之一，斯皮策空间望远镜成功升空，进入太阳轨道，跟在地球的后面。在过去的15年间，兢兢业业的斯皮策作出的发现远超乎当年设计者对它的期待。斯皮策不仅发现了宇宙中最古老的星系，还揭示了围绕着土星的一个新的环，更是透过重重的尘埃云，瞥见了新生的恒星。

○ 斯皮策的最初计划是要在太空进行至少2.5年的主要任务，但它的任期远远超出了预期寿命。在过去的15年间，斯皮策经历了三个阶段的不同任务：“冷任务”（绿色）、“温任务”（橙色）和“超越阶段”（紫色）。图中可以看到不同任务与地球之间的位置变化。| 图片来源：NASA/JPL-Caltech

NASA的大型轨道天文台计划旨在发射四台大型空间望远镜，在不同的波段探索宇宙。另外三台望远镜分别是哈勃空间望远镜、钱德拉X射线望远镜和康普顿伽马射线望远镜。结合来自不同望远镜的数据，科学家得以描绘一幅更加完整的宇宙图景。

斯皮策主要负责红外波段的观测。红外线通常来自于热辐射，具有多种用途，例如在地球上，人们使用的夜视仪器等设备便是基于红外线技术而得的。而在宇宙中，从恒星诞生之地的湍流云到接近地球轨道的小行星，许多现象都可以用红外线来观测。尤其是那些太暗、太远，或隐藏在太空尘埃背后的现象，只有具有红外视觉的斯皮策才有机会观测到它们。

为了纪念这个特殊的日子，我们用15张图片来为大家介绍，在这15年间，斯皮策作出的15项伟大发现：

15. 第一幅系外行星的气象图

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA

虽然斯皮策任务的设计者们从来没打算让它来研究太阳系以外的行星，但它在红外波段的探测能力已被证明是在这一领域中宝贵的工具。

2009年5月，科学家利用斯皮策取得的数据，绘制了第一幅系外行星的“气象图”。这张系外行星气象图描绘了一颗巨大的气体行星HD189733b表面的温度变化。此外，该研究还揭示了可能穿过那颗星球大气层的狂风。图中所示的是我们对行星HD189733b的艺术构想。

14. 隐藏的新生恒星摇篮

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA

与可见光相比，红外线在大多数情况下能更好地穿透气体云和尘埃云。因此，斯皮策可为观测恒星诞生的区域提供前所未有的视角。斯皮策望远镜拍摄的这张照片所显示的，是在心宿增四星云（Rho Ophiuchi，别称蛇夫座ρ）里的新生恒星，从它们诞生时的尘埃层下若隐若现的样子。

天文学家们称之为“Rho Oph”（卢眼），是离太阳系最近的恒星形成区域之一。它在天空中位于天蝎座与蛇夫座星座附近，距离地球约410光年。

13. 不断壮大的星系大都市

○ 图片来源：Subaru/NASA/JPL-Caltech

2011年，天文学家利用斯皮策探测到了一个非常遥远的星系群，名叫COSMOS-AzTEC3。从这个星系群发出的光经过了120亿年才抵达地球。

天文学家认为，像这样的天体应被称为原星团（proto-cluster），最终会成长为现代星系团，或由引力束缚在一起的星系群。COSMOS-AzTEC3是当时发现的最远的原始星团。它为研究人员提供了一个更好的视角，来了解在整个宇宙历史中，星系是如何形成并演化的。

12. “彗星汤”的配方

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech

2005年7月4日，当NASA的深度撞击号宇宙飞船故意撞击坦普尔1号彗星（Tempel 1）时，它喷出了一团含有太阳系的原始“汤”的物质成分。天文学家将深度撞击号与斯皮策望远镜观测到的数据结合起来，对这些物质进行了分析，并开始确定最终形成了我们的太阳系中的行星、彗星和其他天体的成分。

在这个彗星尘埃中发现的许多成分都是已知的彗星成分，如硅酸盐或沙子。但也有一些令人惊讶的成分，如粘土、碳酸盐（能存在于海贝中的成分）、含铁化合物，以及能在地球上的烧烤市场或汽车尾气中发现的芳香烃。研究这些成分为了解太阳系的形成提供了重要的线索。

11. 已知的最大土星环

○ 图片来源：Keck/NASA/JPL-Caltech

土星拥有令人惊叹的环系统，想必你也见过许多与土星环有关的图片。但是这些图片并没有显示出土星最大的一个环。这一层环是一群围绕土星运行的颗粒的集合，它们离土星的距离比其他任何已知的土星环都要远得多。这个环的起点距离土星约600万公里，比土星直径宽约170倍，厚度是土星直径的20倍。如果我们的肉眼能看到这个最大的土星环，就会发现它在天空中是满月大小的两倍。

土卫九（Pheobe）是离土星最远的卫星之一，它就位于这一土星环内，并很可能是这层环的物质来源。这层土星环中的颗粒数量相对较少，因此并不会反射太多的可见光，尤其是在土星的外轨道上阳光很弱，也就使得它隐藏了这么久才被发现。斯皮策能够探测到环内冷却尘埃的光辉，其温度大约为零下193摄氏度，也就是80开尔文。

10. 太空中的巴基球

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech

巴基球是球形的碳分子，在表面上有像足球那样的六边形-五边形的图案。巴基球这一结构是因它与建筑师Buckminster Fuller（巴克敏斯特·富勒）设计的网格穹顶相似而得名。这些球形分子属于巴克敏斯特富勒烯（buckminsterfullerenes）或富勒烯类的分子，在医学、工程和储能领域都有许多的应用。

斯皮策是第一个在太空中识别出巴基球的望远镜。它在一颗濒死恒星Tc1周围的物质（或行星状星云）中发现了这些球体。位于Tc1中心的恒星曾与我们的太阳非常相似，但随着年龄的增长，它的外层开始脱落，只留下一颗致密的白矮星。天文学家认为，巴基球是由从恒星上吹下来的碳层形成的。利用斯皮策的数据进行的后续研究，让科学家们更多地了解了自然界中这些独特的碳结构的普遍存在性。

9. 太阳系中的碰撞

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech

斯皮策已经发现了发生在远处太阳系的几次岩石碰撞的证据。这种类型的碰撞在我们太阳系的早期非常常见，并在行星的形成中起到了一定作用。

在一系列特别的观测中，斯皮策发现了一颗年轻恒星周围的尘埃喷发，这可能是两颗较大的小行星相撞而导致的结果。当喷发出现时，科学家已经在对这一系统进行观测了，这标志着科学家第一次收集到了这些尘埃喷发前后的系统的数据。

8. 第一次“接触”系外行星的大气层

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech

2007年，斯皮策成为第一个直接识别出系外行星大气层中的分子的望远镜。科学家使用了一种光谱学技术，来鉴别两颗来自不同气体系外行星的化学分子。这两颗系外行星被名为HD 209458b和HD 189733b，是由气体（而非岩石）构成的所谓的“热木星”，与我们太阳系中的气体行星与太阳的距离相比，热木星的轨道距离它们的母恒星要近得多。对系外行星的大气组成的直接研究，是朝着有朝一日能在岩石系外行星上发现生命迹象的可能性迈出的重要一步。这张图所展现的就是热木星的可能样貌的艺术构想图。

7. 遥远的超大质量黑洞

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech

在大多数星系的中央，都潜伏着一颗超大质量黑洞。利用斯皮策望远镜，科学家发现了迄今为止距离我们最遥远的两个超大质量黑洞，使得我们得以窥探宇宙中星系形成的历史。

星系黑洞通常被尘埃与气体组成的结构所包围，它们会为黑洞提供“食物”。这些黑洞与围绕着它们的吸积盘被称为类星体。斯皮策望远镜探测到的两个类星体所发出的光，穿越了130亿年才抵达地球，这意味着它们在宇宙诞生后不到10亿年就已经形成了。

6. 最遥远的行星

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech

2010年，斯皮策帮助科学家发现了迄今为止已知的最遥远的行星之一，它距离地球约13000光年。过去的大多数已知系外行星与地球的距离约在1000光年以内。这张图就显示了它们的相对距离。（红色区域显示的是大部分已知系外行星所在的范围，白色箭头标识的为太阳系的位置，而更靠近中央位置用淡黄色文字标注的，即为新发现的遥远系外行星。）

斯皮策利用地面望远镜的协助，以及一种名为微引力透镜的行星搜寻技术完成了这项任务。这种方法依赖于一种被称为引力透镜的现象，在这种现象中，光会被引力弯曲并放大。从地球上看，当一颗恒星从一颗更遥远的恒星前面经过时，前景恒星的引力就可以弯曲并放大背景恒星所发出的光。如果一颗行星围绕着前景恒星运行，那么行星的引力能产生放大效应，并给放大后的光线上留下独特的印记。

这一发现为想要知道在银河系的不同区域，行星数量是相似还是具有明显差异的科学家，提供了又一条重要线索。

5. 来自系外行星的第一束光

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech

斯皮策是第一个对系外行星进行直接观测的望远镜。在它之前，我们只是间接地观测过系外行星。这一成就开启了系外行星科学的新纪元，并为在岩石系外行星上探索生命迹象的旅程，记录下了一个重要的里程碑。

2005年发布的两项研究报告称，斯皮策直接观测到了两颗先前就已探测到的“热木星”行星（HD209458b和TrES-r1）发出的热红外辉光。在前文中我们就已经提到过热木星，它们是类似于木星或土星的气态巨行星，其位置非常靠近母恒星。从它们所在的温暖轨道上，它们吸收了充足的星光，在红外波长下释放出明亮的光芒。

4. 发现小小行星

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech/Northern Arizona University/SAO

斯皮策望远镜的红外波段视力，既能让它能够研究一些最遥远的天体，也能用来研究离地球非常近的小天体。特别值得一提的是，斯皮策已帮助科学家识别并研究了许多近地小行星。NASA对这些天体进行了监测，以确保它们不会与我们的地球发生相撞。

斯皮策望远镜对于描述这些近地小行星的真实大小非常有用，因为它能直接探测到从小行星辐射出的红外光。相比之下，小行星并不能发出可见光，只能反射太阳光；因此，可见光或许能显示小行星的反射率，但不一定能显示它们的大小。斯皮策已被用来研究许多宽度小于100米的近地小行星。

3. 一张前所未有的银河系地图

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech/University of Wisconsin

2013年，科学家结合了斯皮策望远镜在10年间拍摄到的超过200万张的图像，制作出了迄今为止最广的银河系地图。对银河系进行观测着实是一项挑战，如前文所提到的那样：尘埃会阻挡可见光，使得银河系的整个区域都被遮盖了；而红外光能比可见光更好地穿透尘埃区域，从而揭示星系中被隐藏的部分。

对斯皮策的数据进行研究，科学家得以更好地绘制银河系的螺旋结构和它中心的“棒”。在斯皮策的帮助下，科学家发现了新的遥远的恒星形成区域，并揭示了星系中所拥有的碳要比预期的更多。

2. “大婴儿”星系

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech/ESA

斯皮策对一些早期形成的星系的研究也做出了重大贡献。这些星系发出的光需要经数十亿年才能抵达地球，因此科学家看到的是它们数十亿年前的样子。由斯皮策所观测到最遥远的星系发出的光，大约来自134亿年前，离宇宙诞生后不到4亿年。

在这一研究领域中，最令人惊讶的发现之一是探测到了“大婴儿”星系，它们是那些比科学家认为的早期形成星系更大、更成熟的星系。科学家认为，现在那些较大的星系都是由更小的星系逐渐合并而形成的。而“大婴儿”星系表明的是，在宇宙历史的早期，就已经有大量的恒星聚集在一起了。

1. 一个新的世界

○ 图片来源：NASA/JPL-Caltech

距离地球40光年之外，有一颗昏暗、矮小的恒星，名为TRAPPIST-1。围绕着这颗恒星公转的是七颗与地球大小相当的行星，令人惊喜的是，其中有三颗位于这颗恒星的“宜居带”——那里的温度可能恰好适合支撑行星表面的液态水。这一发现标志着寻找系外生命的重要一步。

科学家们用斯皮策望远镜观察了TRAPPIST-1系统超过500小时，以确定有多少颗行星在围绕着恒星运行。斯皮策的红外视觉对于研究比太阳温度低得多的TRAPPIST-1恒星来说非常理想。当七颗行星从恒星面前经过时，科学家观察到了恒星光线的微弱下降。斯皮策的观测也让科学家得以了解这些行星的大小和质量，这或许可用来缩小行星的组成范围。

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斯皮策望远镜已在太空中为我们提供数据长达15年之久。全世界，成千上万的科学家在他们的研究中使用了斯皮策的数据，8000多篇发表的论文引用过斯皮策数据。它为天文探索提供重要的科学与技术基石，它为现代天文学带来了很多很多……因此今天，让我们祝斯皮策空间望远镜15岁生日快乐吧！

编译：不二北斗

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