NASA全新SPHEREx太空望遠鏡二月升空，將揭開JWST難以觸及的宇宙奧秘

美國國家航空暨太空總署（NASA）的全新SPHEREx太空望遠鏡預計於二月二十七日搭乘SpaceX火箭升空。它將以紅外線繪製整個夜空地圖，這可是就連傑出的詹姆斯・韋伯太空望遠鏡（JWST）也難以精準做到的事。

若一切按計畫進行，二月下旬，NASA的太空望遠鏡史詩篇章將迎來新角色。它是一個蛋殼白色的圓錐形探測器，名為SPHEREx，全稱是「宇宙歷史、再電離時代與冰層探測器分光光度計」。由於它運用紅外線工作，SPHEREx有望揭示就連開創先河的詹姆斯・韋伯太空望遠鏡也無法發現的宇宙奧秘。

NASA總部天體物理部代理主任肖恩・多馬加爾 - 戈德曼在一月三十一日向記者表示：「用JWST拍照就像是給一個人拍照，而SPHEREx和其他巡天任務就像是進入全景模式，當你想捕捉一大群人以及他們周圍的事物時，就需要這種模式。」

目前發射時間定在不早於二月二十七日，屆時SPHEREx將搭乘SpaceX獵鷹9號火箭升空，而且它並非唯一的載荷。作為NASA發射服務計畫的一部分，該計畫旨在將太空任務與合適的商業運載火箭相匹配，SPHEREx將與NASA的PUNCH（統一日冕與太陽圈偏振儀）任務一同搭載。PUNCH任務由四顆小型衛星組成，旨在研究太陽。這兩個任務將從加州中部范登堡太空軍基地的4E發射綜合體發射升空。

NASA肯尼迪航天中心發射服務計畫的SPHEREx整合工程師塞薩爾・馬林在簡報中提到獵鷹9號的第一級時表示：「這是這枚可重複使用助推器的第三次發射，它之前於一月十四日執行了運輸者12號任務。助推器將發揮其卓越的返回能力，在發射約八分鐘後再次降落在范登堡太空軍基地的四號區域。」

在接下來的兩年裡（除非NASA決定延長任務），SPHEREx將一邊繪製宇宙地圖，一邊探測兩種宇宙光：可見光和紅外線。可見光是人眼可見的光，也是包括哈勃太空望遠鏡在內的許多望遠鏡的專長，而紅外線是人眼不可見的，更類似於一種熱訊號。紅外線是詹姆斯・韋伯太空望遠鏡的特長，這也是為什麼JWST能夠向我們展示宇宙中長期隱藏的事物，成為如此具有標誌性的望遠鏡。宇宙中的紅外線攜帶著有關遙遠太空、塵埃中誕生的恆星以及星系結構細節的資訊，這些就像是向科學家們展示宇宙中全新的色彩。

確實，此前也有其他能夠觀測紅外線的望遠鏡，比如現在已經退役的斯皮策望遠鏡，甚至哈勃望遠鏡在這方面也有一定能力，但沒有一個能真正與JWST相媲美。然而，SPHEREx在某種程度上可以做到。公平地說，SPHEREx無法與JWST觀測宇宙中高度區域性化的紅外區域的能力相抗衡。但與JWST不同的是，它是一個全天空巡天望遠鏡。耗資100億美元的JWST擅長觀測特定的星雲和相對狹窄但極具維度的深空區域，而SPHEREx旨在從地球的角度對整個天空進行成像。

NASA科學任務理事會副署長尼基・福克斯表示：「我們將在人類歷史上首次以102種紅外顏色繪製整個天體天空的地圖，而且每六個月就能更新一次。在以往的天空地圖中，從未達到過如此高的色彩解析度。」

加州理工學院SPHEREx首席研究員傑米・博克在簡報中指出：「就全天空巡天任務而言，通常這些任務是透過光度測量完成的，觀測天空的寬波段，而且波段數量有限，而不是像SPHEREx這樣能覆蓋完整的光譜。」

至於SPHEREx將尋找什麼呢？考慮到這架太空望遠鏡將在特殊的晨昏太陽同步軌道上執行，該軌道能使它保持足夠低的溫度以研究紅外線輻射，它幾乎可以對天空中的一切進行繪製，所以其探索目標無窮無盡。舉幾個例子，科學家們希望研究不同歷史時期的大量星系，以增進我們對星系演化的瞭解；他們還想窺探恆星之間的空曠空間，看看是否有冰質有機物漂浮，從而追溯地球生命可能的起源。

多馬加爾 - 戈德曼說：「向行星部門的OSIRIS - REx團隊致敬，他們接過這個故事，並講述它如何在我們的太陽系中傳遞到像地球這樣的行星上。」

科學家們還希望捕捉數億個星系的三維檢視，以進一步瞭解宇宙膨脹理論，即宇宙誕生後的瞬間經歷了難以想像的膨脹，就像一個氣球突然膨脹一樣。博克表示：「在大爆炸發生後的萬億分之一秒的萬億分之一秒的十億分之一秒，可觀測宇宙經歷了一次顯著的膨脹，膨脹了萬億萬億倍，這次膨脹將比原子還小的微小波動擴充套件到了我們今天所看到的巨大宇宙尺度。」他還指出：「我們仍然不知道是什麼推動了宇宙膨脹，也不知道為什麼會發生這種情況。」

通常不同的太空任務最終會相互受益，而在這裡這種合作似乎尤為顯著。最明顯的是，由於JWST非常擅長紅外線成像，SPHEREx為JWST的科學家們提供全天空紅外線地圖將非常有用，這樣他們就能知道該聚焦於哪些區域。此外，如前所述，OSIRIS - REx小行星取樣任務（在新的小行星目標、臭名昭著的阿波菲斯之後，現在稱為OSIRIS - APEX）也在試圖梳理散佈在太空中的有機物之間的聯絡。

如果一切按計畫進行，今年晚些時候我們還將見證一臺大型地面望遠鏡——維拉・魯賓天文臺首次投入使用。魯賓天文臺也將對天空的巨大區域進行繪製，只不過是在不同的波長範圍內，這意味著它的觀測結果將為SPHEREx的地圖增添另一層過濾視角。

多馬加爾 - 戈德曼表示：「沒有任何一臺儀器、任何一個任務能夠告訴我們宇宙的完整故事。像這樣的重大問題的答案，來自於多個天文臺聯合觀測的力量。」

NASA噴氣推進實驗室SPHEREx副專案經理貝絲・法賓斯基在簡報中稱：「SPHEREx是用小型望遠鏡開展重大科學研究的典範。」團隊表示，SPHEREx的成本約為4.88億美元（不包括一些即將產生的費用），這聽起來似乎很多，但在太空任務的成本標籤中算是相對較低的。尤其是考慮到SPHEREx最終可能為我們的科學教科書帶來的貢獻。

在這個預算範圍內，航天器也經過了精心打造，其結構的幾個關鍵方面都受到了關注。法賓斯基說：「它重約1100磅，比一架三角鋼琴略輕，耗電量約為270 - 300瓦，比一臺冰箱還少。它使用一個厚太陽能電池陣列產生的電力比它所需的還多，就像你家屋頂上可能安裝的那種太陽能電池板。」

但對於紅外線成像來說，最迫切需要關注的是進行成像的儀器不能暴露在熱環境中，因為這會干擾資料。法賓斯基指出：「如果它們太熱，就會被自身的熱輻射矇蔽。」然而，不幸的是，在太空中，航天器可能暴露於其中的最熱物體之一就是太陽。

這就是為什麼選擇了SPHEREx的特定軌道，以使其遠離陽光，這也是詹姆斯・韋伯太空望遠鏡的建造和定位的一個重要考慮因素。JWST也位於一個旨在時刻保護它免受太陽熱量影響的位置，即拉格朗日點2。法賓斯基進一步解釋了團隊如何計畫將SPHEREx保持在適當的低溫：「我們有三個同心圓錐形光子遮蔽罩，它們與有效載荷底部稱為V形槽散熱器的三個彎曲板一起，保護位於中心的儀器免受陽光和地球反射光的影響。這些散熱器有助於將有效載荷下方溫暖的航天器產生的熱量散發出去。」

一旦SPHEREx安全進入太空，完全展開並正確啟動，團隊將開始對天空進行為期六個月的首次巡天觀測。博克表示：「主要的資料釋出形式是我們釋出所謂的經過校準的光譜影象，這些影象將在觀測後的兩個月內釋出。」但他強調，在可預見的未來，他特別期待的一個時刻是：「我不得不說，我期待的時刻是當我們開啟望遠鏡的蓋子，拍攝第一張照片的那一刻，那將告訴我們一切都按預期執行。」