令天文学家期待多时的Spitzer太空望远镜原名SpaceInfraRed.DOCVIP

從Spitzer談台灣紅外線天文學與儀器的發展 文/王祥宇 2003年8月25日，令天文學家期待多時的Spitzer太空望遠鏡（原名SIRTF, Space Infrared Telescope Facility）順利升空，並且成功地在三個月後傳回令人振奮的清晰影像。這個歷經超過二十年研發過程的人造衛星，攜帶了直徑0.85公尺的低溫紅外線望遠鏡，以及最先進的紅外線系統，將在未來的至少三年內提供3~160微米的天文影像及光譜資料，使天文研究進入一個新的紀元。 300微米之間。在天文學中，一般將紅外線分為三個區域，近紅外線（1~5微米微米微米Spitzer太空望遠鏡1 Spitzer太空望遠鏡是屬於NASA的Great Observatory計畫中的紅外線部分。與二十年前的第一個紅外線天文衛星IRAS相比較，Spitzer的體積並沒有太大的差異，主鏡的直徑也只是從0.57公尺增加到0.85公尺，但是其觀測能力卻有天壤之別。Spitzer雖然主鏡面積只大了2.5倍，但是其靈敏度與解析度卻高出好幾個數量級，這主要原因在於偵測器技術的進步，Spitzer 使用的偵測器的暗電流降低了超過100倍，同時量子效率更是在50%以上。IRAS所配備的是單一的感光元件，而Spitzer攜帶的全部都是二維陣列的系統，這使得觀測所需時間大幅縮短。這些在紅外線技術上的進展，有效地增加了天文學家的觀測效率，更使得以往無法被偵測到的天體以及微弱訊號無所遁形。另外Spitzer使用繞行太陽的軌道，並拉開與地球的距離，降低了地球造成的背景訊號，提升了系統的臨界星等，也能夠到達比較低溫的環境。而藉由Spitzer發展出來的被動冷卻技術也減少了冷煤的消耗速度。紅外線衛星的壽命決定於其冷煤的使用速度，當冷煤消耗殆盡時，衛星上的的科學儀器就無法工作。Spitzer整個酬載的重量不到1000公斤，只有上一個紅外線衛星ISO（Infrared SpaceObservatory）的三分之一，但是壽命卻可能是ISO的兩倍。很明顯的，技術的進步對於天文儀器的能力有決定性的影響，而天文觀測的需求也是促使科技進步的關鍵。 在 NASA發展Spitzer 的過程中，也確定了Spitzer的四大科學目標： 1. 尋找棕矮星及超行星：這些質量大於木星的星體其質量並不足以產生核融合反應，這些星體被認為是黑暗物質的一部分，Spitzer將提供有關這些星體的數目統計以及物理特性的資料。 2. 發現以及研究鄰近恆星的碎片盤：Spitzer將分析環繞在鄰近恆星周圍的塵埃與氣體的結構與成分。這些大部分氣體已經消散的圓形星盤或是碎片盤，被認為是形成行星系統的指標，Spitzer將會觀測在不同年齡的原行星盤，了解這些雲氣與塵埃形成完整行星系統的過程。 3. 研究超高亮度紅外線星系與活躍星系核：許多的星系有很強的紅外線輻射，這超高亮度紅外線星系，可能是由於相互碰撞的星系引發大量恆星形成，或是被塵埃所包圍的活躍星系核，Spitzer將會研究這些星系的起源以及演化。 4. 早期宇宙的研究：宇宙的膨脹造成天體輻射的紅位移，對於早期恆星或是星系產生的紫外光或可見光訊號會紅移到紅外線的區域，Spitzer將會提供第一代恆星與星系形成的時間與過程的重要線索。 在觀測時間上，除了一般的觀測計畫時間之外，Spitzer有約五分之一的觀測時間將執行巡天觀測以及儀器研發團隊的保留時間，針對特定的區域與天體建立完整的紅外線影像與目錄。憑藉著Spitzer先進的儀器以及獨特性，在短短幾個月內，已經有超過70篇的科學論文已經或即將發表。這個驚人的數字也代表紅外線觀測的重要性。  圖二：左圖為Spitzer觀測到的新生恆星HH 46/47的影像2，HH 46/47是一個典型的低質量原恆星，具有向外射出的噴流。由於被厚實的雲氣所包圍，在右圖所示可見光波段無法被觀測。利用Spitzer的光譜儀，科學家也確認在這些包圍的雲氣中存在有冰、固態二氧化碳以及甲烷、甲醇等有機分子。（NASA/JPL-Caltech） 台灣的紅外線天文學 雖然紅外線與可見光天文學是天文研究最大的部分，但是台灣的天文研究在這個波段僅限於個人的小型研究，與無線電天文學相較，有很大的落差。因此發展可見光與紅外線天文學是很重要的一個目標。我們希望採取與發展無線電天文學相同的模式，在發展天文研究的同時，建立可見光與紅外線天文儀器的能力。這個模式可以在發展科學時，掌握天文觀測的尖端技術，而使研究保持在世界水準。藉由教育部的追求卓越計畫CosPA，我們取得足夠的經費與位於夏威夷大島的加法夏天文台（Canada-France Hawaii Telescope，CFHT，見圖三）合作進行廣角紅外線相機系統（WIRCam，Wide-field Infrared C