國外紅外天文望遠鏡發展現狀

黃 晨，王建軍，高 昕，丁 盛

(1．北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094;2．裝甲兵工程學院控制工程系，北京100072)

1 引言

由于大氣對紅外輻射的影響，地面紅外觀測只限制在幾個波段范圍。為了探尋宇宙起源、星體演變等特性，天文學上發射多顆探測器探測宇宙星體不同波段的輻射。20世紀70年代以來利用高空氣球、火箭、飛機和人造衛星攜帶各種紅外探測器展開天文紅外探測［1］。80年代美國發射第一顆天文紅外衛星(IRAS)并成功觀測獲取數據，由此開始了空間紅外搜索探測序幕，在此之后美國、歐洲、日本相繼開展一系列紅外巡天計劃，覆蓋紅外多個波段，發射多顆天文紅外衛星進行全空域或指定區域進行搜索探測。同時生成了相應的紅外星表數據，包括觀測波段的輻射強度、位置信息、測光精度、位置精度等信息。美國的紅外巡天計劃以NASA為主導，同時多家科研機構如噴氣動力實驗室JPL、空軍物理地球實驗室AFGL、紅外處理分析中心(IPAC)及多所大學如哈佛大學、加州大學洛杉磯分校、加州大學伯克利分校等參與，代表了當今天文紅外領域最先進工程技術水平。歐洲以歐空局ESA為主導，早在1979年根據IRAS衛星提出自己的天文紅外望遠鏡計劃，已研制出并成功發射目前最大口徑的天文紅外望遠鏡Herschel。同時與美國、日本合作參與多個天文紅外巡天計劃。日本多年來致力于太空探索，其空間探測任務以日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)為主導。近年來與NASA，ESA合作多個空間試驗項目，用新一代的運載火箭M－V，發射多顆宇宙空間探測器。

分析美國國家航空航天局(NASA)、歐洲太空局(ESA)、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)主導的多個典型紅外巡天任務的情況特點及其紅外天文望遠鏡光學結構特性、紅外探測器件的性能以及紅外巡天計劃生成的星表數據。其中IRAS，WISE，2MASS，AKARI四個為全空域巡天，其生成的多個紅外星表數據在多個領域使用。

2 美國天文紅外望遠鏡

2．1 紅外天文衛星IRAS(infrared astronomical satellite)

紅外天文衛星IRAS［2］是第一代天基紅外望遠鏡，于1983年1月發射升空并送入900 km的極地軌道。由美國的 NASA、荷蘭的 NIVR與英國的SERC聯合完成。IRAS在 12μm，25μm，60μm，100μm完成對96%空域的搜索。衛星上搭載了紅外搜索陣列(Survey Array)、低分辨率分光計(LRS)、光譜分光通道(CPC)。望遠鏡采用里奇－克雷季昂(Ritchey-Chretien)結構，f數為9．6，焦距為5．5 m，口徑為570 mm。焦平面組件固定在望遠鏡卡塞格林焦點上，工作溫度冷卻至3 K以下。在IRAS搜索陣列上有62個紅外探測器件，在四個紅外波段每個波段至少有兩個探測器能夠探測到視場內的光線。紅外陣列相機參數如表1所示。IRAS外部結構圖如圖1所示。

表1 陣列相機參數Tab．1 survey array parameter

圖1 IRAS外部結構圖Fig．1 external structure of IRAS

IRAS任務主要生成包括一個紅外點源星表(PSC)，一個小尺度結構星表(SSS)，天空中波計率分光機紅外圖像。其中紅外點源星表(PSC)包含了245889顆目標的位置和測光信息，小尺度結構星表包含了16740顆目標的位置和測光信息。

2．2 大視場紅外搜尋探測器WISE(the wide-field infrared survey explorer)

WISE［3］于2009年12月14日在加州范登保空軍基地搭載德爾塔2型火箭發射，并送入525 km高度的太陽同步極地軌道。WISE望遠鏡口徑為400 mm，f數為3．375。探測器的像元數為1024×1024，在3．4 μm，4．6 μm，12 μm，22 μm 四個波段完成了對99%空域的搜索。探測器像素的增加使得WISE擁有更高的靈敏度，在相應的波段都大大超過IRAS及COBE。望遠鏡內含10塊曲面鏡和2塊反射鏡，都有鋁制成并在表面包裹一層黃金以增加紅外輻射反射率。空間觀測搜索避開并遠離最大光熱源－太陽，可保證光學系統低溫和來自太陽的散射。但是全空域搜索必須觀測與太陽成90°的黃道極點，WISE采取以太陽為中心從北黃道極點搜索到南黃道極點的策略，在半年時間內完成了全空域搜索。搜索陣列參數如表2所示。WISE外部結構圖如圖2所示。

表2 搜索陣列參數Tab．2 survey array parameter

圖2 WISE外部結構圖Fig．2 external structure ofWISE

WISE共搜集了15．6 TB的圖像和數據，主要釋放數據包括初始搜索數據、全天搜索數據、三波段(3．4 μm，4．6 μm，12 μm)低溫數據。初始搜索數據覆蓋57%空域，包含10464幅全波段FITS格式圖像集、257310278顆目標的位置和測光信息。全天搜索數據覆蓋了大于99%的空域，包含全天圖像集包含18240幅全波段FITS格式圖像集、563921584顆目標的位置和測光信息。三波段(3．4 μm，4．6 μm，12μm)低溫數據覆蓋30%空域，包括5649幅三波段FITS格式的圖像。261418479顆目標的位置和測光信息。

2．3 2 μm 巡天2MASS(twomicron all sky survey)

2MASS［4］利用兩臺高度自動化望遠鏡，一臺位于美國西南部亞利桑那州Hopkins山，一臺位于智利Tololo山，每臺望遠鏡均配有3通道照相機，望遠鏡采用卡塞格倫(Cassegrain)結構，f數為 13．5，口徑為1．3 m。因為CCD器件及近紅外陣列融合技術的問題，放棄選擇 I波段(0．8 μm)。在J(1．25μm)，H(1．65 μm)，Ks(2．17 μm)波段同時觀測，每通道包含256×256像素的CCD陣列。北半球的觀測于1997年6月開始，南半球的觀測于1998年3月開始，2001年1月兩半球同時完成觀測。2003年發布全天數據。紅外相機參數如表3所示。

表3 紅外相機參數Tab．3 survey array parameter

觀測期間，2MASS大約收集了24．5 TB的原始數據，覆蓋了99．998%的天空。2MASS釋放的數據包含近紅外星表和圖像數據。全天釋放數據產品包含:一個包含470992970顆點源目標的位置和測光信息的點源星表，點源星表覆蓋了99．997%的天空;一個包含1647599顆展源目標的位置、測光和基本輪廓的展源星表(extended source catalog，ESC)，該星表中大部分為星系;一個包含超過4121439幅J，H，和Ks的FITS格式圖像集。

2．4 斯皮澤空間望遠鏡(Spitzer space telescope)

斯皮澤太空望遠鏡［5］于2003年8月25日發射。望遠鏡主鏡口徑為850 mm，工作時冷卻至5．5 K。攜帶儀器包括紅外陣列相機(IRAC)、紅外光譜儀(IRS)、多譜段成像分度計(MIP)。因為紅外輻射是熱輻射，為了更好地獲取精確的觀測數據，必須降低望遠鏡自身的熱輻射，Spitzer選用獨特的地球跟蹤太陽軌道，這樣便不必攜帶大量的制冷劑，顯著的降低了費用。Spitzer分為“低溫”和“室溫”兩部分在保證望遠鏡正常工作的情況下有效的降低了自身熱輻射。其中紅外陣列相機IRAC在3．6μm，4．5 μm，5．8 μm，8．0 μm 中心波段對指定的目標區域進行搜索。陣列相機參數如表4所示。Spitzer外部結構圖如圖3所示。

表4 陣列相機參數Tab．4 IRAC parameter

圖3 Spitzer外部結構圖Fig．3 external structure of Spitzer

此外還包括一些對指定的空域進行搜索的巡天任務。宇宙背景探測器COBE(cosmic background explorer)于1989年11月發射升空，目的是調查宇宙間的宇宙微波背景輻射(CMB)。COBE上攜帶了微差微波輻射計(DMR)、遠紅外線游離光譜儀(FIRAS)、漫射紅外線背景實驗(DIRBE)。中段實驗衛星 MSX(the midcourse space experiment)，MSX［6］上搭載紅外探測儀器SPIRITⅢ，主要對太空中波紅外進行搜索。MSX對IRAS及COBE遺漏的區域和使敏感度下降的高亮度、擴展源區域進行了覆蓋搜索。MSX發布的1．0版本的星表共包含329312個目標，其中包含銀河平面搜索的323052個目標，和6260個對IRAS遺漏的區域搜索的目標。

3 歐洲紅外天文望遠鏡

3．1 太空紅外天文臺ISO(infrared space observatory)

ISO［7］由歐洲11國共同建設，并與美國國家航空航天局與日本宇宙科學研究所(2003年并入JAXA)合作完成。ISO于1995年11月在法屬圭亞那發射升空，運行在地球高軌橢圓軌道。1979年，ESA根據IRAS提出ISO計劃。由于紅外探測器件的飛速發展，ISO性能大幅提升，在12μm波段，ISO靈敏度是IRAS的1000倍，角分辨率是其100倍。ISO望遠鏡主鏡口徑600 mm，焦距900 mm，f數為15，采用Ritchey-Chrétien結構。ISO上攜帶了紅外相機(ISOCAM)、照相偏正測量儀(ISOPHOT)、短波分光計(SWS)、長波分光計(LWS)。與IRAS將數據先在衛星上記載隨后轉發至地面不同，ISO所有的科學數據和管理數據都實時傳至地面。但由于ISO的近地點低于地面接收站無線電地平線，當衛星處于近地點時強制關閉星上設備。ISO外部結構圖如圖4所示。

圖4 ISO外部結構圖Fig．4 external structure of ISO

3．2 赫歇爾太空天文臺(Herschel space observatory)

Herschel［8］于 2009 年 5 月發射升空，是歐空局ESA目前在軌運行最大的空間望遠鏡。衛星為三軸穩定，指向精度小于3．7″。望遠鏡采用 Cassegrain結構，作用波段在遠紅外至亞毫米(55～671μm)。望遠鏡f數為8．70，口徑為3500 mm，是目前口徑最大的太空望遠鏡。其材料采用碳化硅而不是常用的玻璃。望遠鏡工作時間取決于制冷劑的持續時間，大約20000 h可供天文研究，其中32%對外界公開。Herschel上搭載了光電探測器陣列相機和光譜儀(PACS)、光譜和光度成像接收機(SPIRE)、遠紅外外差儀器(HIFI)。Herschel外部結構圖如圖5所示。

圖5 Herschel外部結構圖Fig．5 external structure of Herschel

4 日本紅外天文望遠鏡

紅外太天文衛星(AKARI)。AKARI［9］是由日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)和歐洲、韓國部分機構合作開發。衛星于2006年2月在日本鹿兒島縣的內之浦宇宙空間觀測所(uchinoura space center)由M－V火箭發射至太陽同步軌道。衛星上搭載了遠紅外搜尋器(FIS)、紅外相機(IRC)。望遠鏡采用Ritchey-Chretien反射式望遠鏡結構。焦距為4．2 m，口徑為685 mm，制作材料為碳化硅，可以有效地減輕望遠鏡的質量，這也是歷史上首次在太空望遠鏡上選擇用碳化硅作為主鏡的材料。AKARI第一階段在遠紅外波段(FIS)和中紅外波段(IRC)對全空域進行搜索，第二階段在遠紅外波段(FIS)對第一階段搜索遺漏空缺進行搜索。最終，IRC在9μm及18μm波段對96% ～97%的空域進行了兩次以上的搜索。紅外相機參數如表5所示。

表5 紅外相機參數Tab．5 survey array parameter

圖6 AKARI外部結構圖Fig．6 external structure of AKARI

表6 光學系統參數Tab．6 optical system parameter

AKARI/IRC點源星表1．0版本，包括870973個目標的位置和測光信息，其中844649個9μm波段目標和194551個18μm波段目標，168227個在兩個波段都探測的目標。AKARI外部結構圖如圖6所示。光學系統參數如表6所示。

5 結論

縱觀美國、歐洲、日本的紅外搜尋計劃及紅外天文望遠鏡的研制發展，我們可以發現隨著紅外探測相關技術水平的發展，極大提升了紅外觀測設備的性能，為人類獲取更多的宇宙、星體紅外輻射的信息提供支持。未來紅外天文望遠鏡的發展呈現以下幾個特點及趨勢:①望遠鏡光學系統的口徑將不斷增大，大口徑意味著更強大的探測能力，也對相關技術提出更高的要求;②紅外天文探測波段覆蓋面將更廣，測光精度將會進一步提高;③更加開放式的觀測數據分析研究。目前在IPAC及ESA網站已公開部分巡天數據并提供數據處理工具供研究使用，提供很好的科研學習平臺;④國際間合作將更加緊密。在大型紅外天文望遠鏡項目上，即便對于實力雄厚的歐美大國也無法獨自完成，各國間深入合作發揮各自優勢已成為趨勢。

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