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小工程巧轉乾坤,紅外望遠鏡轉行偵查系外行星

feature13-07_Rec即將慶祝十歲生日的Spitzer(史匹哲)太空望遠鏡有另一好消息,它已成功轉型將用來看系外行星!當初2003年時Spitzer發射升空開始服役,系外行星觀測完全是個太瘋狂的念頭,當時的科學家和工程師心中全然沒想到過觀測系外行星這件事,所以此項目標當然根本沒列入原始設計規格中。不過,還好當初有些前瞻性的設計,很特別地打造出一個系統穩定的環境,也留下餘裕空間,今天工程人員只需再經一些巧思便能將它改造完成、發揮新功能。系外行星是現今當紅的研究領域,這故事不僅只關於一魚兩吃,也是一項可津津樂道的工程傳奇。

Spitzer看紅外光,肉眼可見的是「可見光」,兩者略有不同,前者能量稍弱,特性上卻能夠輕易地穿透宇宙塵和氣體,讓我們能不受阻礙地在多塵埃環境下觀測到恆星育嬰房、星系中心區、新生行星系統等。

Spitzer在紅外光的視力讓它同樣也可用來查找系外行星藏身之處。原理是,如果系外行星經過本身恆星前面,我們觀測到的恆星光量會略為下降,藉由這個微型的「食」現象,Spitzer可估出系外行星大小。

此外,其實系外行星也發出紅外光,所以,藉由在紅外光波段收集到的訊號,Spitzer還能了解到的是關於該行星的大氣成分。系外行星在軌道上繞母恆星公轉,行星表面各不同區域皆在Spitzer觀測中,這麼一來,紅外光波段的整體變化,就可用來估算其氣候狀況,行星要是躲到了恆星後面,造成該行星的紅外光亮度降低了,又可推測出行星的溫度。

研究恆星形成以及行星如何在多塵埃環境中形成,向來是Spitzer最穩紮穩打,最擅長的科學領域,但如何跨入系外行星的那個領域,就非要靠超高的靈敏度不可,並且,需要的靈敏度更遠超過原始設計規格。

話說Spitzer的設計藍圖,是早在1996年就畫好的,當時不僅沒觀測到半顆系外行星的掩星現象,史上無前例可循,並且,誰要是想在紅外光裡觀測系外行星的掩星現象,所需的靈敏度之高,更是任何紅外光儀器想都不敢想的天方夜譚。

儘管如此,由於Spitzer原先設計時內建的溫度變化控管極強,並且,在瞄目標恆星的指向功能上它的配備也是超規格,有了這兩種基本功,儘管研究系外行星掩星現象需要極高精準度,但當初這兩項前瞻伏筆,後來才能在滿足科學研究需求上,畫下八字的第一撇。

事後諸葛來說,Spitzer難能可貴的繼續參與科學研究到如今,歸功的是早期那些創新十足的規劃。當時Spitzer,重裝登場,滿載很多冷卻劑為的是要提供低溫需求嚴苛的三座儀器至少夠用兩年半,事實上,經過一場「冷卻劑大作戰」奮勇演出,它最後是滿足了近五年半的運轉,才光榮退場,超水準演出。

冷卻劑用完,故事還沒完。換上當初有備而來的後援方案,Spitzer繼續執勤。這座望遠鏡就在被動式冷卻系統環境下,繼續讓一組紅外相機仍可在超低溫下繼續作業,這個所謂超低溫,大約是攝氏零下244度(換算為絕對溫度等於29度K)。在紅外照相機高靈敏度沒有打折的情況下,Spitzer演奏出不再極度酷冷的二部曲。雖然說是沒那麼冷,別忘了,以地球標準來說,這個溫度仍然是「冷到不行」。

它用什麼來保持低溫呢?撇步一是,將背向太陽的那面望遠鏡的殼,漆成黑的,讓望遠鏡的熱能盡量散發太空,二是在面向太陽那面殼塗上亮亮的一層,使太陽光和太陽能面板產生的熱會直接從表面反射掉。這個Spitzer紅外望遠鏡首開風氣之先的創舉,在後繼太空任務中從此成為廣受採用的標準做法。

讓Spitzer完美變身成「系外行星偵查隊」的一員需要透過一些巧妙的喬裝易容術,尤其它早已進入太空中的軌道許久,這些後續的工程動作更不容易進行。即便它的穩定度相當高,指向恆星時,偶爾仍有些微小的晃動,這讓恆星以光點形式經過相機上的某一點像素時,仍會有些輕微的亮度起伏,這兩項因素都為測量掩星現象帶來難題,測量掩星現象本身的精細度要求就是很高。

解決之道,首先要找出哪裡出了問題。如果說望遠鏡會抖的話,事實上它抖得很規律,每小時一次。這個週期正好和一組加熱器的工作週期是相同,加熱器的作用是要讓望遠鏡上的電池不低於特定溫度。加熱器造成星軌追蹤器和望遠鏡中間的一支支架略彎,影響所及,望遠鏡和受追蹤的恆星間之相對位置就會微微抖動。

到了2010年10月,工程人員已確認到,加熱器工作週期並不需要維持每小時一次,縮短到30分鐘即可,目標溫度也可以只達到一半就夠用,這樣,晃動幅度先砍一半。

這個結果並沒讓他們滿足太久,到了2011年9月,工程師又把Spitzer望遠鏡上指向控制參考用的感應相機Peak Up也改良升級。這臺Peak Up照相機在任務初期本是用來協助收集並集中紅外光,讓光路對準到光譜儀,執行星軌追蹤儀例行校準用,可讓望遠鏡對得更準。望遠鏡本來在瞄準恆星或天體時,本來無可避免地就會前搖後晃,考慮到這個晃動變因,把光會進到紅外相機的哪裡做到最好的控制,也就成為精確測量的關鍵之一。幫Peak Up相機完成了升級,天文學家能精確地將來自恆星的光點集中在像素正中央位置。

但是這個項目改良升級完畢,他們又找到著墨之處,甚至為相機上的個別像素的表現優劣都製圖追蹤,基本上他們發現有一個「好球區」會專門產出品質穩定的觀測結果。由於Spitzer做系外行星觀測時,所瞄準的目標有90%是比相機上的一個像素更小,甚至僅有像素的1/4大,好好運用紅外指向瞄準像機,基本上就能把定位弄得很精準,準到,直接能把觀測目標送進像素的「好球帶」中,以進行時間夠長的曝光。

所以,總結上述三項成果:修改的加熱器工作週期、升級的紅外指向集光相機、個別規劃每顆像素的好球帶,加總起來,就讓Spitzer的穩定性和指向精密度直接向上跳了二級,能以特優級的靈敏度測量系外行星掩星時微小變化。

也是經由這些工程上的精益求精,Spitzer轉型成一座系外行星望遠鏡,未來也將協助系外行星科學貢獻許多深度的發現。(Lauren譯)

資料來源:How Engineers Revamped Spitzer to Probe Exoplanets

轉載自網路天文館2013.10.02

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