[科普中国]-赫歇尔望远镜

简介

“赫歇尔”太空望远镜是以英国天文学家威廉·赫歇尔的名字命名，它实际上是一台大型远红外线望远镜。

“赫歇尔”望远镜造价10亿欧元，于2009年5月14日欧洲航天局两颗科学探测卫星“赫歇尔”和“普朗克”搭乘欧洲阿丽亚娜5－ECA型火箭，从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空，展开了充满未知的宇宙之旅。

使命是研究恒星和星系的形成以及在宇宙时期的发展变化。6月14日，地面任务控制中心发送指令，命令“赫歇尔”打开用于保护敏感仪器免遭污染的舱门，于是，这个世界上最大的远红外太空望远镜“睁开了眼睛”。“赫歇尔”望远镜利用光电阵列和射谱仪（PACS）对涡旋星系（亦称M51）进行了探测。

基本信息独特特点“赫歇尔”宽4米，高7.5米，是迄今为止人类发射的最大远红外线望远镜。“赫歇尔”望远镜的镜面直径比美宇航局“哈勃”太空望远镜大，对波长较长的光线极为敏感，即远红外线和直径小于1毫米的光线。光电阵列和射谱仪可以覆盖较短的光谱，而成像光谱与测光仪则用于捕捉较长的光谱。在舱门打开以后，光电阵列和射谱仪可以立即对宇宙展开探索，而成像光谱与测光仪只有到2013年6月16日才开始展开首次观测，其探测目标可能包括太阳系中的天体以及远距离目标。

除了长就一双“慧眼”，“赫歇尔”望远镜还携带了约2000升超流体氦，后者可以起到冷却望远镜的作用，让望远镜的内部工作温度接近绝对零度（零下273.15摄氏度），从而尽可能地降低仪器本身的辐射，达到最优的观测效果。 与太阳相比，宇宙中其他星体的表面温度相对较低，因此，虽然它们以红外线波段释放能量，但很难被太空望远镜察觉。“赫歇尔”则可以凭借尖端的仪器，探测到更多远红外线范围内的宇宙星体，包括银河系内和银河系之外的星体。此外，它还能够对宇宙尘埃和气体进行观测，探索银河系之外恒星的形成，发现宇宙形成的奥秘。

工作任务为观星首开“完全窗口”

多数宇宙星体以红外线波段释放能量，在可见波谱中呈现出黑色团状。在“赫歇尔”未投入工作之前，相关的宇宙红外线观测都是不完全的。欧航局专家认为，“赫歇尔”将与“普朗克”协同工作，揭开红外波谱天文学勘测的新篇章。

地面上的望远镜无法有效地通过红外光线观测宇宙天体，原因是红外光线多数被地球大气层中的水雾所阻挡。其他太空望远镜仅能观测特定红外波段的范围，只能透过“模糊窗口”展示太空景象。而通过红外线波谱，“赫歇尔”提供了一个广泛观测宇宙的“透明窗口”，将能更好地探测宇宙中未曾观测到的物质。

此行赴太空寻找“三宝”：水、氧气和婴儿恒星

在太阳系，“赫歇尔”将检测小行星、柯伊伯带和彗星，它们很可能是早期太阳系形成时的残留物质，可能掌握着包括地球在内的太阳系行星形成之初的原始物质比如水存在的痕迹。而“赫歇尔”的一个重要探测目标，就是在这些星体中发现水是否存在。同时，天文学家还期望通过“赫歇尔”发现另一种人类所熟知的分子——氧气。天文学家推测星际介质中大量存在着氧气，但至今没有任何观测仪器在星际中探测到氧气的存在。

“赫歇尔”还将在银河系研究恒星形成区域，进而首次探索恒星早期形成历程和银河系中年轻恒星是如何形成的。通常婴儿恒星被包裹在寒冷气体和灰尘构成的“子宫”中，无法观测，但“赫歇尔”却能穿透灰尘云观测到。

工作程序望远镜直径3.5米的镜面采集的光线首次涌入其超低温仪器舱或低温恒温器。“赫歇尔”的使命是研究恒星和星系的形成以及在宇宙时期的发展变化。2009年6月14日当天的指令要求“赫歇尔”打开舱门的两根螺栓，毋庸置疑是这次任务的一个里程碑时刻。

SPIRE首席科学家马特·格里芬（Matt Griffin）教授说：“我们需要将盖子打开，否则我们无法看到天空，所以，这的确是一个重要事件。”SPIRE是安放在低温恒温器中的三套仪器之一。

巴黎航空展是展示欧洲航空航天事业发展的重大活动，届时，欧洲航天局和欧洲航天工业将一起庆祝他们的成就。“赫歇尔”任务展示是欧洲航天局展台的一个显著特征。巴黎航空展在布尔歇展览中心举行，从6月15月持续至19日，在交易期结束后，公众可以到场参观。科学家宣称，他们不久便准备公布“赫歇尔”望远镜拍摄的“黎明”照片。截止至2013年1月，“赫歇尔”望远镜尚处于测试期，全面投入工作还需要一定的时间。1

“赫歇尔”被看作是欧洲航天局的“旗舰”太空望远镜，在其全面展示能力之前，天文学家和公众必须要耐心等待。“赫歇尔”望远镜的镜面直径比美宇航局“哈勃”太空望远镜还大，对波长较长的光线极为敏感，即远红外线和直径小于1毫米的光线。这样一来，它就能穿透驱散可见波长的尘埃物质，探索宇宙中真正超低温的空间和物体——从正在诞生的新恒星云到太阳系中遥远的冰状彗星。

对于观测这些现象的天文台来说，这同样要求它们处于超低温的工作环境。科学家利用超流体氦用以使其仪器温度接近“绝对零度”，即零下273摄氏度。他们是在一个被抽空的大箱子内进行这种操作的。这些仪器一直被锁定在低温恒温器的顶部，保持极冷状态，保护其免遭污染。在任务实施一个月左右以后，打开舱门才被认为是安全的。

格里芬解释说：“发射到太空中的任何物体都会有一些水蒸汽和其他各种污染物——易挥发气体。在太空中，水蒸汽和这些挥发物会慢慢在茫茫蒸发掉。等待这种事情发生以及确保这些污染物不在低温恒温器中存活是必要之举。在低温恒温器中，它们可能会凝结于仪器的上面。”格里芬教授在英国卡迪夫大学任教。

“赫歇尔”望远镜正在向一个距地球150万公里远的观测位置进发，如今已完成了超过90%的路程。事实上，它现今与地球的距离十分理想，地面指令用不了5秒钟就能到达“赫歇尔”望远镜。根据控制人员探测到的“赫歇尔”温度略微升高和晃动等现象，表明舱门成功打开。

探索成果“赫歇尔”太空望远镜是利用英国“斯皮尔”照相机并结合搭载其上的“帕斯”照相机捕捉到银河系内恒星诞生照片的。“斯皮尔”照相机和“帕斯”照相机不仅揭示了银河系内部的新宇宙物质，还向宇航员提供了银河系内宇宙物质的信息，其中包括它们的质量、温度和成份，以及这些宇宙物质是否崩塌形成新的恒星。

英国卡迪夫大学马特－格里芬（Matt Griffin）教授是负责“斯皮尔”照相机项目的首席科学家。他说：“我非常期望赫歇尔太空望远镜能够进行此类观测，结合使用两个照相机观测银河系是前所未有的。”格里芬还表示，“从技术角度讲，能如此好地观测银河系，观测结果的科学意义非常可观。”格里芬说：“银河系恒星的形成看起来是一个非常骚乱的进程。”这两个照相机拍摄的宇宙空间区域是从地球所看到的月球大小的16倍。

卡迪夫大学德里克－沃德－汤普森（Derek Ward-Thompson）教授说：“这些图片细节之清晰、丰富令人非常震惊！我们从未观测到像这样的星际介质，它可能揭示我们以前从未看到过的神秘恒星形成过程。赫歇尔太空望远镜实现了我们的全部期望！”

赫歇尔太空望远镜将系统地探测银河系较大的区域，帮助天文学家揭开神秘的恒星形成过程。曾帮助建造斯皮尔照相机的该研究小组负责人皮特－哈格雷夫（Pete Hargrave）博士说：“当我看到这一美丽的太空情景时感到非常震惊！我们能够非常清晰地观测孕育恒星的宇宙物质。”

赫歇尔空间天文台是首次采用手机网络进行数据传输的太空探测器

在赫歇尔成功发射刚两天时间，该空间天文台开启了它的遥感勘测下行线“高速模式”，并开始传输数据，这是第一次在太空中使用 “高斯滤波最小频移键控系统（GMSK）”，该系统功率和带宽较大，通常用于全球移动通信系统手机网络的数据传输。赫歇尔空间天文台传输的测试数据已被澳大利亚新诺卡深太空跟踪站接收。

德国达姆施塔特市欧洲宇航局太空操控中心的赫歇尔－普朗克探测器飞行操作主管约翰－多兹沃思（John Dodsworth）说：“赫歇尔具有1.5 Mbps的测试传输速率，大约相当于家庭互联网连接速度。” 传统GSM手机网络的传输速率比GMSK稍低一些，但是两者采用的技术都是相同的。普朗克也采用GMSK系统进行数据传输，其数据传输能力将在该探测器试运行阶段进行。两个探测器将通过其科学仪器和机载分系统，利用GMSK基础的无线电线路进行数据传输。

GSM标准是全球手机网络最普通的调制标准，已覆盖全球212个国家和地区的80%面积，不久该网络的信号将延伸至150万公里之遥，抵达“拉格朗日2点”深太空轨道范围。

赫歇尔拍摄到仙女座星系的恒星形成区和低温尘埃物质

欧洲空间局的“赫歇尔”红外太空望远镜最新拍摄到著名的仙女座大星系的高清晰度图像，漂亮的环形结构中充满了星际尘埃等物质，在“赫歇尔”望远镜的观测下呈现出漩涡状的特征。现今，来自欧洲空间局的“赫歇尔”红外太空望远镜帮助科学家进一步揭示了仙女座大星系的细节结构，获得了最清晰的仙女星系图像，可分辨出其中美丽的螺旋式低温尘埃轨迹。

从仙女座星系整体结构上看，恒星形成区正逐渐向外侧移动，但是这个过程是相当缓慢的，图像中的恒星形成区如同明亮的小点嵌入到巨大的环形尘埃带中。“赫歇尔”空间望远镜配备了图像光敏阵列相机与光谱仪、光谱与测光成像接收器，这些仪器的数据为科学家们提供了高清晰度的仙女座星系图像，在图中蓝色或者白色的区域，就是最为活跃的恒星形成区，而较暗的红色和橙色区域则是温度较低的寒冷区域。

赫歇尔望远镜首次捕捉银河最年轻恒星照片

2013年3月26日消息，据国外媒体报道，欧洲强大的新“赫歇尔”(Herschel)太空望远镜捕捉到的这些色彩缤纷的图片，显示的是有史以来见到过的最年轻恒星。

这些最新发现的原恒星位于猎户座分子云团里，这是以前天文学家寻找恒星诞生的一个地方。然而与其他望远镜相比，欧洲航天局相对较新的赫歇尔太空望远镜上非常灵敏的红外相机能够确定更加年轻和温度更低的恒星。从宇宙的标准而言，这15颗处于萌芽状态的恒星仅为新生儿，其中一些仅形成只有2.5万年。据估计，我们的太阳系已有46亿岁。赫歇尔望远镜捕捉到其中11颗新星发出的红光，这表明它们的能量很低，有可能正被宇宙气体团团包围，也就是说它们特别年轻。

美国宇航局赫歇尔项目科学家格伦-沃尔格伦说：“通过这些最新发现，我们为恒星发展的家庭影集增添了一张十分重要的缺失照片。借助赫歇尔，我们已经可以研究处于幼年期的恒星。”赫歇尔望远镜传回的图片，展现了猎户座分子云团里的恒星簇发出的令人眼花缭乱的多彩光芒。气体和尘埃云团发生引力坍缩时会形成恒星，在这个过程中，气体和尘埃会浓缩形成一个超热等离子球体。从宇宙的标准而言，这个转变相对较快，仅持续几百年。该研究成果发表在《天体物理学》杂志上，论文第一作者、德国海德尔堡普朗克天文研究所的博士后研究人员阿米莉娅-斯图兹说：“赫歇尔已经揭示了一个恒星形成区里最大的年轻恒星团体。通过这些研究成果，我们更好地目睹了恒星开始形成的特殊时刻。”

赫歇尔光电探测器阵列照相机和光谱仪设备在探测猎户座云团发出的最微弱的红外光(波长大约是70到160微米，相当于一根头发的直径)时，发现这些恒星。天文学家利用赫歇尔望远镜的读数，并将其与美国宇航局的斯皮策太空望远镜以前拍摄的相同区域的图片进行对比。欧洲航天局2009年发射升空的赫歇尔望远镜是迄今为止送入太空的最大红外望远镜。它耗资大约14亿美元。最新发现的这些信息非常及时。因为赫歇尔望远镜打算在这个月它的低温超流氦用光后停止运行。2

时间表2009年6月，观测到M51漩涡星系神秘光线。

2009年10月24日，观测到老鹰星云（NGC6611）核心部位的恒星形成区，其中存在着大量的星际气体和尘埃。

2011年，赫歇尔空间望远镜首次在猎户座的三个红外波段上，首次发现每一区域大约每100万个氢分子中存在1个氧分子。[6]

2011年，赫歇尔首次在太空中发现了带电的太空水。这种水与人们熟悉的固体冰、液态水和气态蒸气都不相同，属于一种新的水“态”，其在地球上不会自然生成。

2011年5月，探测到在一些合并星系中心部位发出的超高速分子喷流，其中一些喷流的速度高达每秒1000公里，比地球上飓风快万倍。赫歇尔的观测显示，在一些拥有活动星系核(AGN)的星系中，这种强烈的星系飓风能吹散几乎所有的尘埃和气体物质，从而造成星系内部恒星形成过程停止，中央黑洞也得不到新的物质补给。这项发现的意义在于，它第一次找到了科学家们一直在苦苦寻觅的，有关恒星新生过程和黑洞吸积的负反馈机制。

中国协作赫歇尔（Herschel）红外空间天文台是欧洲空间局所研制的最复杂的空间设备，有效寿命预计为3-4年，将成为世界顶尖级的大型空间天文台。2005年中国科学院国家天文台在“百人计划”引进人才黄茂海研究员带领下，与赫歇尔的造价达一亿欧元的主要仪器SPIRE项目签署协议，展开合作，正式成为其国际合作伙伴。

中国在仪器控制中心和赫歇尔总体科学公共系统（HCSS）研制等方面投入软件工程力量，作为国家天文台作出贡献的回报，中国获得两个科学专家组成员名额，由国家天文台黄茂海、李金增两位研究员担任。

结束任务赫歇尔空间望远镜的控制团队已于近日清空了卫星的燃料贮箱，并指令其切断所有通讯。此时，这颗空间天文卫星正在围绕着太阳缓慢漂泊，其与地球的距离约为214万公里。

赫歇尔空间望远镜又称赫歇尔空间天文台，安装有空间中最大的，直径达3.5米的反射望远镜，并搭载了3个最先进的探测设备，使其成为太空中最为强大的天文台。在4年的运行时间里，赫歇尔空间望远镜采集了大量远红外波段的图片和数据，改变了人类对恒星形成和星系演化的认知。

格林威治标准时间6月17日12:25，在德国达姆施塔特，欧洲空间控制中心(ESOC)向赫歇尔空间望远镜发出了关闭通讯的最终指令。这段无线电指令发出后需要6秒钟的时间才能到达望远镜，之后，地面控制中心需要等待6秒钟才能确认通讯信号已经关闭。

“它实在是一个很美的航天器，”欧洲航天局赫歇尔望远镜控制主管米卡·施密特(Micha Schmidt)说，“它从来没给我们带来多少麻烦，而这也使我们的效率更高。举个例子，我们学会了很多操作航天器的知识，这意味着可以使其发挥最大的科学作用。”

清空燃料贮箱

在赫歇尔空间天文台耗尽最后一滴超流体氦冷却剂之后，其退役也被提上了日程。氦冷却剂对卫星上的设备和探测器至关重要，一旦用尽，整个卫星基本就失去了观测各种天体的能力。

使赫歇尔空间天文台退役的第一步，就是将其从观测位置移出。该位置的引力条件十分优越，距离地球的“夜面”约150万公里，被称为L2拉格朗日点。在7米长的赫歇尔望远镜移出之后，其他航天器就有机会进入L2拉格朗日点，充分利用这里稳定的温度和光照条件。控制中心还清空了赫歇尔望远镜的肼推进剂贮箱，以减少未来爆炸的风险。清空过程中，控制中心指挥卫星启动推进器，最终将燃料耗尽。

在赫歇尔望远镜缓慢漂泊——可能还会出现翻滚——的过程中，它的电池还将继续工作，为卫星上的计算机提供电源。“在正常情况下，赫歇尔望远镜可以利用一个自动恢复功能，启动异频雷达收发机，但我们已经将这一功能关闭，”米卡·施密特说，“它将永远不再联系地球。我们会再次发出指令。这种模式是硬连线的，我们无法克服，但我们并不是故意要这么做。”

后续

虽然赫歇尔空间天文台的观测生涯已经结束，但它采集的大量数据仍将带来众多的科学进展。天文学家将继续检视它拍摄的大量图片，在很长的一段时间里，这些图片仍将带来许多重要的发现。除此之外，其他一些天文望远镜也能够在同样的波段上进行探测，它们获得的数据与赫歇尔望远镜的数据可以互相佐证。在这些望远镜中，就有位于智利，新建不久的阿塔卡玛大型毫米波天线阵。

“赫歇尔望远镜让人印象深刻，至少在未来十年，甚至更长的时间里，它仍将继续带来许多科学发现。当拥有这样一个低温望远镜的时候，你几乎必须要时时催促自己。因为它运行的时间是有限的，你必须尽可能快地完成各种观测。而且在那之后，你还需要仔细检视它的观测数据，这需要很长的一段时间，”欧洲航天局科学主管阿尔瓦罗·希门尼斯(Alvaro Gimenez)教授说，“赫歇尔望远镜使我们对银河系中恒星、行星有了非常多的了解。它向我们展示了许多恒星沿着巨大的宇宙细丝(filaments，由气体和尘埃构成)形成的过程。这些都是我们之前未曾知晓的，”

2009年，赫歇尔空间天文台与普朗克巡天者卫星一起发射升空，后者也位于L2拉格朗日点。普朗克巡天者探寻的是宇宙中“最古老的光线”，即获取宇宙微波背景辐射在整个太空的各向异性图。它预计将在10月份结束任务并以与赫歇尔望远镜相同的方式退役。

欧洲航天局下一个前往拉格朗日点的航天器将是天体测量卫星盖亚(Gaia)，预计将于9月份发射升空。盖亚卫星将用于银河系巡天，绘制整个银河系最为精确的结构图，3