給宇宙畫張102色全天星圖

4次掃描全天，觀測 4.5 億個(gè)星系，1 億顆銀河系恒星，繪制 102 色宇宙全圖，這就是美國航天局剛剛發(fā)射的巡天望遠(yuǎn)鏡 SPHEREx 在未來兩年里要做事，它將嘗試描繪宇宙的歷史畫卷。

SPHEREs（來源：NASA/JPL-Caltech）

花小錢干大事

SPHEREx 的全名是宇宙歷史、再電離時(shí)代分光光度計(jì)和冰探測器（Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer）。這是一臺(tái)總質(zhì)量僅 500 公斤，口徑只有 20 厘米的紅外望遠(yuǎn)鏡。就鏡頭大小而言，完全沒法跟口徑 2.4 米的“哈勃”望遠(yuǎn)鏡和口徑 6 米的“詹姆斯·韋布”望遠(yuǎn)鏡比，預(yù)算金額也只有 4.88 億美元（“詹姆斯·韋布”總花費(fèi)約 100 億美元）。

SPHERE的海報(bào)（NASA/JPL-Caltech）

但是，SPHEREx 有著 3.5° × 11° 的寬大視場，這讓它有著極高的觀測效率。它運(yùn)行在距離地面 700 公里的軌道上，每 90 分鐘左右就可以繞地球一圈，每天可以拍攝 600 張照片。在為期 27 個(gè)月的計(jì)劃任務(wù)中，SPHEREx 將完成 4 次全天光譜巡天觀測，收集超過 4.5 億個(gè)星系和銀河系中超過 1 億顆恒星的光譜數(shù)據(jù)。

別看它身材小，花費(fèi)少，它的科學(xué)目標(biāo)是很了不起的。主要任務(wù)包括了解嬰兒期宇宙膨脹的情況，了解星系和恒星形成的信息，測量全天所有星系總光度、尋找生命關(guān)鍵成分、繪制整個(gè)天空的星圖。

奇特的喇叭口

SPHEREx 望遠(yuǎn)鏡將能“看見”波長為 0.75~5.0 微米的紅外光。這個(gè)波長的光剛好超出了人眼所能察覺的范圍，但它是研究恒星和星系的理想選擇。

宇宙自誕生至今在不停地膨脹，宇宙中的光，波長也隨著時(shí)空的膨脹而被拉長，這導(dǎo)致宇宙早期的星系顏色呈現(xiàn)紅色，甚至落入紅外線范圍。若要看到它們，必須借助靈敏的紅外波段的眼睛。

SPHEREx 的喇叭形遮罩（來源： NASA/JPL-Caltech ）

SPHEREx 的分光儀可以將光線分解成各種顏色，就像當(dāng)年牛頓通過三棱鏡將太陽光變成彩虹一樣。特定的原子、分子會(huì)吸收特定波長的光。對(duì)生命演化至關(guān)重要的水分子和二氧化碳分子在紅外波段的吸收表現(xiàn)得很明顯。SPHEREx 將會(huì)掃描我們的銀河系，尋找凍結(jié)在星際氣體和塵埃云中的水分子（水冰）和二氧化碳分子，將它們的位置和豐度標(biāo)注出來。我們都知道恒星和行星就是誕生于星云之中的。觀測這些星云就好像進(jìn)入了哆啦A夢的任意門，穿梭到幾十億年前，了解我們太陽系和行星的形成過程。

由于紅外光對(duì)溫度比較敏感，因此 SPHEREx 的鏡子和探測器都必須置身于 -210℃ 的低溫環(huán)境中運(yùn)行。為了盡量躲避“眼角余光”，同時(shí)也為了阻擋探測器自身產(chǎn)生的熱量，工程師為 SPHEREx 設(shè)計(jì)了一個(gè)“大喇叭”，那正是專門為擋光設(shè)計(jì)的錐形遮罩，而且里外共有三層。同時(shí)配有一套完全被動(dòng)冷卻系統(tǒng)——在正常作期間將不使用電力或冷卻劑。

前所未有的全天彩色星圖

SPHEREx 將制作有史以來最豐富多彩的全天星圖。它每次觀測不僅能獲得豐富的圖像資料，更厲害的是可以同時(shí)獲得 102 條不同波段的光。

有了 SPHEREx 的光譜圖，科學(xué)家們除了能夠探測到銀河系中像二氧化碳、水這樣十分重要的分子的蹤跡。另一方面，也能透露出在不同距離上的星系是否有著不同的成分，從而推測宇宙在漫漫歷史長河中的演化過程。

SPHEREx 海報(bào)（來源：NASA/Caltech）

天文學(xué)家估計(jì)，在 SPHEREx 繪制的星圖中，大概能包含 4.5 億個(gè)星系。試想，當(dāng)同時(shí)得到那么多星系的光譜和光度時(shí)，就能估計(jì)出在宇宙在 100 多億年里，所有星系的總的光線的輸出，你將有機(jī)會(huì)全面了解宇宙的歷史，就像播放幻燈片一樣。打個(gè)比方，你給數(shù)千人拍攝集體照，然后觀察照片發(fā)現(xiàn)年紀(jì)輕的朋友基本都站在前排，而年長者普遍都站在后排。

天文學(xué)家也期待通過 SPHEREx 的全天星圖，能間接推測出宇宙暴脹的秘密。在宇宙大爆炸后的 10-33 秒內(nèi)，宇宙的大小增加了 1024 倍。這個(gè)過程被稱為暴脹。聽上去很難讓人想象，但它可能是形成我們現(xiàn)在宇宙形態(tài)的關(guān)鍵所在。宇宙的密度，宇宙的分布，都是在那一瞬間決定的。

蛇夫座分子云（來源：NASA/JPL-Caltech）

當(dāng)前，遠(yuǎn)在 150 萬公里外的“詹姆斯·韋布”望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)成為人類仰望星空探究宇宙奧秘的主力。然而，“詹姆斯·韋布”的視場范圍太小，能為我們展現(xiàn)宇宙秘密花園中的一棵草，卻無法展現(xiàn)花園的全貌。SPHEREx 則能很好地彌補(bǔ)這個(gè)缺憾，正如其縮寫名字，它將覆蓋整個(gè)天空。未來，SPHEREx 將與“詹姆斯·韋布”“歐幾里得”“哈勃”等望遠(yuǎn)鏡聯(lián)動(dòng)，一旦它發(fā)現(xiàn)了什么特別有價(jià)值的目標(biāo)，它將通知其他望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行更細(xì)致的觀測與研究。

參考資料

[1] https://www.jpl.nasa.gov/missions/spherex/

[2] https://www.jpl.nasa.gov/press-kits/spherex/quick-facts/

[3] https://www.nasa.gov/universe/6-things-to-know-about-spherex-nasas-newest-space-telescope/