红外望远镜对现代观测天文学的重要性

木星的红外图像热辐射显示为橙色，而极光的辐射显示为紫色，大红斑位于图像中心

现在红外天文学观测有很多的转变，红外天文学已经成为世界所有天文台的主流功能，几乎所有的光学望远镜都会优化其红外性能。有很多太空望远镜甚至纯粹就是红外望远镜，根本没有光学系统。对于天文学家来说，红外望远镜具有很大的优势。那么什么是红外望远镜，或者说什么是红外呢？

201年前，一位英国天文学家William Herschel发现了红外光，刚开始发现红外光的时候人们利用的很少。进入现代宇宙观测时期，天文学家们逐渐意识到他们对宇宙的观察充其量只是局部的，而且观察的方式有点片面。观察宇宙不仅是看得更远的问题，而是需要使用不同的“眼睛”，也就是需要能够看到其他种类的光或辐射的眼睛。

两张星云图像为我们展示了哈勃太空望远镜在可见光和红外光下的观测结果，光学望远镜无法看到星云结构背后的情况

宇宙中所有温度高于绝对零度的天体都会发出某种形式的电磁辐射。为了研究宇宙，科学家使用了几种不同类型的望远镜来检测这些不同类型的辐射。比如伽马射线望远镜，X射线，紫外线，常规可见光（光学）以及红外望远镜。

红外望远镜相比于光学望远镜的优势

红外光是电磁辐射，其波长比可见光长，但比无线电波短。不同波长的光揭示了不同的自然现象，而红外光则另有一个重要的故事要讲，那就是它的优势。光学望远镜视角下无法看到被星尘笼罩的恒星，而在近红外光下工作的太空望远镜却能够检测其内部结构。

斯皮策太空望远镜渲染图

另外光学望远镜看不到的相对较冷的物体在红外视角中是可见的。星际气体，其他恒星周围的行星和原始星盘，小行星，褐矮星（老年恒星）和出生的恒星大多都是温度较低的天体，无法在可见波长下发光，但在红外光中这些天体是很显眼的。

持续不断的宇宙膨胀会导致红移现象，这会导致来自恒星等天体的辐射在离地球越来越远的地方产生逐渐变长的波长。这些波长到达地球时，来自遥远物体的许多可见光已经成为了红外光，这些红外光可以被红外望远镜检测到。当红外望远镜观察来自非常遥远的天体红外源时，这种辐射已经花了很长时间才到达地球，所以红外望远镜可以洞悉宇宙史的重要时期。

光线无时无刻不在远离观察者，宇宙中最遥远的天体移动时就会发生“红移”现象，目前最遥远的星系大约有七个红移

相较于地面红外观测站，红外太空望远镜更能展示其作用

地面光学或红外观测站给予我们很多宇宙知识的新见解，但是红外望远镜其实在太空更能展示它的作用，那么红外望远镜为什么进入太空观察效果更好呢？首先，地球大气对于红外望远镜是不友好的，诸如水，二氧化碳和臭氧之类的分子有很强的饱和吸收作用，会影响到红外望远镜的成像质量。

太阳日冕物质抛射CME的复合图，这些粒子会影响红外望远镜的成像

其次是一些高能粒子的影响，当一些粒子超过2.2微米时，室温及更高温度下的任何物体都会发出大量的黑体辐射。另外对于红外天文学家来说，就像望远镜被照亮了一样，天空本身也会发光。不仅光子泛滥会产生高背景限制的噪底，而且光子的数量也非常庞大。

红外太空望远镜是未来太空观测的主流吗？

那么拥有这些优势的红外望远镜是不是比其他类型望远镜更复杂或者说造价更高呢？其实红外望远镜使用的组件与可见光望远镜基本相同，并且遵循相同的原理。原理就是望远镜透镜和主镜的多种组合将天体辐射聚集并聚焦到一个或多个检测器上，这些数据由地面望远镜的计算机转换成有用的信息，再由望远镜计算机整理成数据，太空红外望远镜还需要经过通讯系统传回地球接收站。

詹姆斯·韦伯太空望远镜近红外摄像机（NIRCam）检测器，已拆除光学挡板。紫色汞碲化镉薄膜在未来观测中会负责收集光

红外望远镜的检测器通常是专用固态数字设备所集成的，最常用的材料是超导合金HgCdTe碲化汞镉。地面望远镜为了避免周围热源造成的污染，检测器必须使用诸如液氮或氦制冷剂冷却至接近绝对零度的温度。而太空望远镜可以在远离地球的轨道上运行，所以冷却系统或者冷却测试就不是那么重要。说到太空望远镜，斯皮策太空望远镜2003年发射升空，是目前来说最大的太空红外望远镜。

历史与未来的两大红外太空望远镜

在过去的16年中，美国宇航局的斯皮策太空望远镜一直是了解宇宙的重要窗口，但是在本周三，斯皮策已经退役。其实现在关闭斯皮策太空望远镜也是为推迟了好几次的詹姆斯韦伯等新项目奠定基础。

詹姆斯韦伯太空望远镜

斯皮策太空望远镜的未来继任者是詹姆斯·韦伯太空望远镜，詹姆斯韦伯太空望远镜将在明年3月发射，该望远镜具有更先进的红外成像功能，是哈勃太空望远镜成像能力的百倍以上。詹姆斯韦伯的主镜比斯皮策的主镜大了50倍，可以观察到更暗的物体。

斯皮策太空望远镜与詹姆斯韦伯太空望远镜

甚至可以这样说，启动詹姆斯韦伯太空望远镜对于现代天文观测来说一直是一个挑战。经过数年的延误和多次预算超支之后，美国宇航局希望在2021年3月部署詹姆斯韦伯太空望远镜。詹姆斯韦伯已经花费了约100亿美元，远远超过了斯皮策任务的总成本13.6亿美元。

斯皮策在2003年刚刚发射运行的时候科学家就很惊喜了，因为天文学家可以用红外视角观察部分宇宙。斯皮策可以观察星系的结构，还可以通过观察各种宇宙物体来扩展其最初的任务，例如地球大小的TRAPPIST-1岩石系外行星，土星最外围几乎看不见的环结构以及太阳内部成千上万的彗星。

这三张图片是在红外光下看到天空。前两个是在60、100和240微米波长下拍摄的合成图像。60微米的亮度以蓝色显示，100微米的亮度以绿色显示，而240微米的亮度以红色显示。

人眼可以自然地感觉到星光，但有时我们需要专门的工具，可以通过其他光谱观察我们的世界，在这个时候我们就会发现学到的知识远不止于眼睛观察。就像刚才说到的，我们可以通过不同的望远镜观察宇宙，宇宙也不仅仅是可见光构成的天体那么简单，比如暗物质和暗能量如何影响星系结构，宇宙历史中第一批星系是如何形成的都可以用红外望远镜成像研究。

斯皮策的前项目经理Suzanne Dodd在1月23日有关望远镜的座谈会上说：“斯皮策发现了很多宇宙细节，这是近代天文学爆发式的发现。它的大部分工作是观察星系结构和星系尘埃，这些尘埃会聚拢婴儿时期的恒星，为恒星和行星提供构建基块，并在整个宇宙星系中创造出无数无形的恒星温床。”

不同的望远镜可以提供不同的视角，上图为大家展示了斯皮策红外，哈勃光学，钱德拉X射线太空望远镜的视图

（斯皮策）红外太空望远镜的结构与工作环境

接下来我们以斯皮策太空望远镜为例，看一看红外太空望远镜的工作原理和科学载荷。对于红外望远镜最重要的就是让内部检测器保持稳定的温度，斯皮策太空望远镜，包括未来的詹姆斯韦伯太空望远镜需要在零下267摄氏度的温度下运行。

不过在2009年，斯皮策用尽了氦气冷却剂，内部的冷却系统已经停止了，但由于它与地球的距离越来越大，避免了升温情况。没有冷却系统的斯皮策任务也已经持续了十多年，所以未来天文学家需要将红外望远镜布置在尽量远的轨道上，以减少不必要科学载荷的重量。

斯皮策太空望远镜在发射前的照片

除了冷却系统之外，斯皮策还有三项科学仪器，分别是红外阵列摄像机IRAC，多波段成像光度计MIPS和红外光谱仪IRS。IRAC是一种通用成像相机，可用于多种科学程序。与具有单个探测器阵列和对各种不同波长的光敏感的普通摄像机不同，IRAC是四通道摄像机，这意味着它具有四个不同的探测器，每个探测器测量一个特定波长的光线分别是3.6微米，4.5微米，5.8微米和8.0微米波长。其实这三项科学仪器可以说是红外太空望远镜的标配，詹姆斯韦伯太空望远镜也拥有同样的科学载荷。

MIPS也是一种成像相机，但是它可以检测远红外光（24-160微米之间）。这些波长是大多数星系尘埃中对应的波长，因此MIPS对于研究星系和恒星形成区是至关重要的。IRS是一个光谱仪，它不像其他两个仪器一样是成像相机。观察的角度不同，但是与棱镜分解光的方式类似，光谱仪将来自远处物体的入射红外光分解为光谱。宇宙中的每个化学元素在光谱中都有自己的光信号，这就像我们的指纹。