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光之系列四:一座追逐地球的望遠鏡

2015/7/25 — 9:19

小時候到過北京近郊的康西草原,晚上靠在私家車旁仰望,看到的景色大概如下:

智利星空。現在google 「康西草原星空」竟然找不到夜景。來源:Wikimedia Commons

智利星空。現在google 「康西草原星空」竟然找不到夜景。來源:Wikimedia Commons

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中文有說法:「多如繁星」,這是幅栩栩如生的圖像。不過,其實我們肉眼看到的只是宇宙的一小部分。餘下的星體太暗太遠,更甚者根本不會發出可見光;地球的大氣層也會吸收或反射電磁波。這次介紹的 Spitzer太空望遠鏡,就是美國太空總署為了看到宇宙的每一方面發射升空的。它跟 Hubble (可見光) 、 Compton (伽瑪射線) 和 Chandra 望遠鏡(X 射線)一起號稱是太空總署的 “Great Observatories”  。

Spitzer 是一台紅外線望遠鏡,在 2003 年到達軌道,並在 2009 年 5 月 15 日耗盡冷卻劑。為了科學任務能夠正常進行,望遠鏡內帶的液態氦將紅外線鏡頭冷卻到零下 268 度,為的是將儀器本身熱量發出的紅外線減到最少。除此之外, Spitzer 任務設計最特別的,還是它那跟隨地球、圍繞太陽的軌道。與環地軌道相比,隨地軌道 (Earth-trailing orbit) 讓望遠鏡遠離發放大量紅外線的地球,取得更寬的視角。這種軌道第一次的應用就是在 Spitzer 上,而最近發現所謂「地球 2.0」 的 Kepler 望遠鏡,也是在隨地軌道上的。

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隨地軌道示意圖。技術所限,每年 Spitzer 都會飄離地球 0.1 AU (太陽-地球軌道的十分之一)。來源:California Institute of Technology

隨地軌道示意圖。技術所限,每年 Spitzer 都會飄離地球 0.1 AU (太陽-地球軌道的十分之一)。來源:California Institute of Technology

Spitzer 的任務眾多,不過最引人注目的當然就是尋找太陽系外行星。例如,在 2004 年,它觀察到 G29-38 白矮星周圍散發著「額外」的紅外線,其頻譜對應的溫度比白矮星的表面冷十倍。由於紅外線和白矮星光的強度在時間上同步變化,天文學家意識到前者是後者反射自某物體。透過光譜分析發現了行星類型的矽酸鹽(silicate) 後,加州大學洛杉磯分校的 M. Jura 教授提出了一個簡單的解釋 [2]:包含豐富礦物的(小)行星撞上 G29-38 ,粉身碎骨並散落在周圍;碎石吸收了白矮星的電磁輻射後變熱,並釋放出紅外線。

你會問,這跟行星有什麼關係呢!?天文學家的解釋是,如果產生白矮星的超新星爆炸沒有把小行星驅到老遠,那麼更堅實、質量更大的行星不就應該還在白矮星附近嗎?無獨有偶,最近十年來天文學家發現了約四十個跟 G29-38 類似的行星系 [1]。它們是尋找太陽系外行星的好地方。

說到系外行星,那就不能不提 Spitzer 怎樣判斷它們的大氣層構造、溫度和甚至風速。原理上至少需要兩幅圖片(見下圖):1) 行星及其母星,2) 行星運行到母星背後被蓋住。將 2) 從 1) 裡面減走,就可以量度只來自行星的紅外線了。碰巧的是,生命的跡象——水和二氧化碳——會吸收頻率的紅外線。如果行星散發的電磁輻射缺少這些頻率的話,那麼行星上很可能就有這兩種化合物!

怎樣從 Spitzer 的資料裡面抽出行星的光譜。來源:NASA

怎樣從 Spitzer 的資料裡面抽出行星的光譜。來源:NASA

雖然 Spitzer 的液態氦冷卻劑早已耗盡,但在寒冷的外太空讓望遠鏡的溫度維持在約零下 243度(暖了二、三十度)。發射升空後的十二年,雖然靈敏度已大不如前,但 Spitzer 依然是天文學家探索星空的「牛刀」之一 [1]。小小的望遠鏡透過各種旁側敲擊的方法,讓人類一窺茫茫宇宙的奧秘,你不覺得這件事很美妙嗎?

引用資料:

  1. Greicius, T. (2015, April 14). NASA’s Spitzer Spots Planet Deep Within Our Galaxy [Text]. Retrieved July 24, 2015, from http://www.nasa.gov/jpl/nasas-spitzer-spots-planet-deep-within-our-galaxy
  2. Jura, M. A., & Werner, M. W. (n.d.). Unlikely Suns Reveal Improbable Planets. Scientific American, (Jun 2009). Retrieved from http://www.scientificamerican.com/article/improbable-planets/

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