[科普中国]-红外线天文卫星

简介

由于地球大气滤除了大部分来自天外的红外线辐射，使地面的红外线天文观测相当困难，而利用气球、火箭来进行的观测，一来时间短，二来观测的天区也很有限。1983年1月，美国、荷兰和英国共同研制发射了红外线天文卫星IRAS，则把这个“天窗”完全打开了。4

IRAS于1983年1月25日发射成功，成为在太空作红外巡天观测的第1颗卫星。这颗美国、荷兰和英国的卫星携带有22.4英寸（57厘米）口径的望远镜，在望远镜的焦平面上排列有4组远红外的探测器。这4组探测器非常灵敏，能记录到两英里外一粒尘埃，它们探测的波段分别简称为12、25、60和100微米波带，同时使用这4组探测器可以测出红外源的温度，其中短的波长对研究太阳系中较温热的物质尤其有用，而探测较冷的恒星际红外源则更需要较长的波长。IRAS成功的关键是大大压低了卫星本身远红外的“噪音”，它使用了超流体氦将整个望远镜冷却至绝对温度2.4K。1983年11月21日，这种冷却剂耗尽时，IRAS就结束了人类历史上首次详细地绘制红外星企图的探测使命，这时它已对95%的星空扫描了两次。5

合作分工IRAS项目由美国的NASA、荷兰的NIVR与英国的SERC联合执行。在这项合作中，美国主要承担卫星发射，红外望远镜光学系统、探测器和致冷系统的研制；荷兰主要承担卫星的组装和试验，机械结构、温控、姿态控制、星载计算机及软件、遥测遮控、电源等卫星分系统以及附加实验的仪器研制；英国主要提供作为控制中心和资料预处理的地面站。地面站设在英国Chilton的Appleton实验室。23

基本参数卫星进入900公里高的太阳同步极地轨道，轨道倾角99°，周期103分钟。这种轨道能保持太阳能电池帆板总是被太阳光照到。卫星工作寿命一年。卫星重1020公斤，其中望远镜部分重760公斤（超流氦耗完后重650公斤）。卫星高3.58米，直径2.05米，太阳能电池帆板展开时宽3.24米。

红外望远镜是二镜面的RC型反射望远镜。主镜直径60厘米，焦距550厘米，视场63.6弧分，焦平面尺度1.6毫米/弧分。超流氦致冷，维持望远镜温度10K，探测器温度2K，仪器灵敏度达10-19瓦/平方厘米。焦平面配置四种波长范围的62个红外光导探测器，扫描视场宽度30弧分，探测器波长范围和材料见下表。3

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结构系统简介卫星的姿态控制系统提供三轴稳定控制。它确保太阳电池帆板对向太阳；使望远镜以扫描方式（包括以确定速度巡天扫描和在选定的一小块天区扫描）或指向选定源的方式工作；起防护作用，使望远镜视向与太阳保持大于60°角，与月亮保持大于20°角和地球边缘保持大于88°角，以免致冷设备直接受热而很快消耗超流氦。姿控敏感部件包括6个粗太阳角计，2个精太阳角计，一个地平仪，3个磁敏感器，4个陀螺和一个星敏感器。执行机构有3个反作用飞轮和3个磁绕组。

有二架同样的星载计算机（一架备用），为控制卫星姿态、执行科学观测程序，处理实验资料及指令，控制磁带记录等用。每个计算机有32k字的RAM存贮器和3k字的ROM存贮器，每字16ibts。另外还有2个磁带记录器，每个容量为450百万bits，记录速度每秒8000bits，，重放速度每秒百万bits，8分钟可把全部记录传输到地面站。

星载电源系统包括面积5平方米能提供电力500瓦的太阳电池和容量7安时28伏的镍镉电池。

通信系统由2个S-带转发器组成。每个有一个接收机、一个发射机和一个17厘米的螺旋状S-带天线。其中二个接收机始终工作，`发射机只有一台工作，另一台为备份。发射机功耗1瓦。3

探测成果红外天文卫星使人类实现了第一次在宇宙空间进行的红外巡天观测。虽然它的实际工作时间只有10个月，但由于它每天可以向地面发回7亿比特信息，因此取得了非常丰富的资料。在“IRAS”近10个月巡天探测中，有了一系列激动人心的重大发现，它总共发现了30多万个新天体，其中约有2万个是星系。对观测资料的分析发现了许多新的现象和新的事实，大大开拓了人类对宇宙的认识，开创了天文学的新纪元，被认为是1983年的最重大科学进展之一。1

IRAS作为人类历史上首次发射的红外线天文卫星，探测成果主要有以下几方面451：

发现了织女星的固体颗粒冷云。这是最惊人的发现之一。这些固体颗粒的大小为1毫米或更大些，其温度约为90K，这些颗粒至少比恒星际的尘埃颗粒大1000倍，其总质量至少为0.01个地球质量。除我们这个太阳系外，织女星是第1颗已证实有固体物质环绕的恒星，IRAS的科学家们推测织女星云正处在太阳系形成的早期阶段。这次发现对研究太阳系的演化意义重大。

提供了星系碰撞在宇宙起广泛作用的、使天文学家惊讶的证据。在IRAS的低分辨率图上，许多仅仅根据它们突出的红外亮度而证认出的天体显露出是正在相互作用的星系。星系之间的碰撞或合并似乎激发起恒星的突然大量出现。

发现了银河系尘埃，即弥漫于整个银河系的很冷的一片片被称之为“红外卷云”的尘埃物质，它由两部分组成，一是分布较均匀的尘埃物质，二是分布不均匀的尘埃物质。“卷云”物质的温度估计为35K，主要由产生于恒星大气中的石墨颗粒组成，也许这些尘埃正是奥尔特彗星云（离太阳5-10万个天文单位远）的物质。

发现了火星与木星之间得一个尘埃带，在环绕太阳运转，它很可能是由小行星碰撞后的碎片组成的。IRAS发现在距太阳2-3亿英里远的小行星带有一个尘埃圆环，环内各处尘埃的密度和温度有一定的变化，温度的范围在165-200K之间，环内尘埃的总质量相当于1颗直径1公里大小的小行星。这个圆环平面与黄道面倾斜约9度。

发现正在形成的恒星。IRAS进一步揭示了宇宙中新一派生机勃勃的景象，它发现了许多推测是新诞生或正在形成的恒星。离太阳大约650光年的距离内，存在着为数众多的气体和尘块，似乎正在形成恒星。

发现新彗星，并证认出几颗特殊小行星。IRAS发现了6颗新彗星，其中彗星1983d（艾拉斯-荒贵源一-阿尔科克彗星）是自1977年以来飞离地球最近的彗星。IRAS还发现一颗可飞离太阳最近的小行星，其近日距只有水星至太阳平均距离的1/3。

由猎户座a向外扩展大约4.5光年远的地方，有一系列尘云，说明在过去五万至十万年间这颗红色超巨星至少经历过三次大爆炸。这些尘云分布不对称，只向北延伸。