翱翔的NASA EXCITE科学气球将揭示遥远行星的奥秘

EXCITE 飞行任务将利用科学气球探索系外行星大气层，旨在详细了解热木星的温度和大气成分。资料来源：国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M.Zamani

科学家和工程师们准备将一项名为 EXCITE（EXoplanet Climate Infrared TElescope）的红外线任务飞往太空边缘。

EXCITE的设计目的是在环极长时间科学气球飞行中研究系外行星或太阳系外世界周围的大气层。但首先，它必须在美国宇航局 2024 年秋季从新墨西哥州萨姆纳堡进行的科学气球飞行活动中完成一次试飞。

位于马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心（NASA's Goddard Space Flight Center）的这项任务的首席研究员彼得-纳格勒（Peter Nagler）说："EXCITE可以通过在行星绕其恒星运行的整个过程中收集数据，为我们提供行星大气层和温度的三维图像。以前只进行过少量这类测量。它们需要一个非常稳定的望远镜，能够对行星进行连续数天的跟踪。"

EXCITE（EXoplanet Climate Infrared TElescope）悬挂在新墨西哥州萨姆纳堡哥伦比亚科学气球设施的天花板上。任务小组在飞行前通过在夜间观察气球门外的情况来练习观测。图片来源：NASA/Jeanette Kazmierczak

EXCITE将研究热木星，即每一到两天完成一次轨道运行、温度高达数千度的巨型气体系外行星。这些世界被潮汐锁定，这意味着同一面始终朝向恒星。望远镜将观察热量是如何在行星上分布的，从面向恒星的滚烫半球到相对较冷的夜面。

它还将确定一个世界的大气层中的分子在整个轨道上是如何吸收和发射光线的，这一过程被称为相位分辨光谱学。这些数据不仅可以揭示化合物（如水、甲烷、二氧化碳等）的存在，还可以揭示它们在行星围绕恒星运行时是如何在全球范围内循环的。

美国国家航空航天局（NASA）的哈勃、詹姆斯-韦伯和退休的斯皮策太空望远镜已经收集了大量这样的测量数据。例如，2014 年，哈勃和斯皮策观测到一颗名为 WASP-43 b 的系外行星。要在全世界每天 22 小时的时间内收集数据，科学家需要哈勃 60 小时的时间和斯皮策 46 小时的时间。像这样在天基观测站上进行资源密集型研究是很困难的。时间是有限的资源，研究必须与数以百计的其他时间请求竞争。

EXCITE 团队成员、马里兰大学巴尔的摩郡分校和NASA Goddard 的研究科学家 Kyle Helson 说："在首次科学飞行期间，EXCITE 的目标是从哥伦比亚科学气球设施在南极洲的站点飞行十几天。在极地，我们要研究的恒星不会落下，因此我们的观测不会中断。我们希望这次任务能有效地将科学界可用的相位分辨光谱数量增加一倍。"

EXCITE 将通过一个充满氦气的科学气球飞到约 13.2 万英尺（40 公里）的高空。这将使它飞越地球大气层的 99.5%。在这一高度，望远镜将能够在几乎不受干扰的情况下观测多种红外线波长。

图中所示的 EXCITE 红外探测器曾是 NASA 詹姆斯-韦伯太空望远镜 NIRSpec（近红外摄谱仪）仪器的候选飞行器。在被添加到飞行任务的光谱仪组件之前，它被安装在一个铜质底座上，上面还有一个黑色保护壳。该探测器允许 EXCITE 收集 1 到 4 微米的光谱测量数据--电磁波谱的近红外部分。图片来源：NASA/Sophia Roberts

EXCITE 团队成员、亚利桑那州立大学坦佩分校研究生研究助理 Lee Bernard 说："望远镜收集红外光，然后将其传送到光谱仪，在光谱仪上，红外光会经过一个小障碍。它从镜子上反弹并穿过棱镜，然后到达探测器。一切都必须非常精确地对齐--只要偏离中心几毫米，光线就无法到达。"

光谱仪安装在望远镜后面一个叫做低温恒温器的容器内。低温恒温器可以将光谱仪的探测器--曾经是韦伯的近红外光谱仪（NIRSpec）的候选飞行器--冷却到华氏零下约350度（摄氏零下210度），这样它就可以测量红外光中微小的强度变化。

整个望远镜和低温恒温器组件安放在一个行船状的底座上，可以沿三个轴线旋转，以保持稳定的指向，最小可达 50 毫微秒。这就好比在 65 英里之外稳定地注视一枚美国 25 分硬币。

EXCITE 团队成员、罗德岛普罗维登斯布朗大学研究生研究助理 Tim Rehm 说："多个不同机构为 EXCITE 的子系统做出了贡献。很高兴看到它们全部组装在一起并协同工作。我们很高兴能进行这次试飞，并期待着未来的所有科学飞行。"

EXCITE 仪器主要由美国国家航空航天局戈达德分局、布朗大学、亚利桑那州立大学和安大略 StarSpec Technologies 公司制造，美国、加拿大、意大利和英国的合作者也提供了支持。

美国国家航空航天局的科学气球提供了频繁、低成本进入近太空的机会，以进行天体物理学、太阳物理学和大气研究等领域的科学调查和技术成熟，以及培训下一代工程和科学领域的领导者。要跟踪 2024 年萨姆纳堡秋季活动中的任务，请访问 NASA 的 CSBF（哥伦比亚科学气球设施）网站，实时更新气球的高度和飞行期间的GPS位置。

美国国家航空航天局位于弗吉尼亚州的沃勒普斯飞行设施负责管理该局的科学气球飞行计划，每年从世界各地的发射场进行 10 至 15 次飞行。佩拉顿公司在得克萨斯州运营 CSBF，为美国宇航局的科学气球计划提供任务规划、工程服务和现场操作。CSBF 团队在约 40 年的运营中发射了 1700 多个科学气球。NASA 的气球由 Aerostar 制造。NASA 科学气球计划由 NASA 总部科学任务局天体物理学处资助。

编译自/scitechdaily