美国国家航空航天局（NASA）的SPHEREx任务将于2025年4月发射，它不是第一台观测数亿颗恒星和星系的太空望远镜，但它将是第一台能够观测102种红外颜色的太空望远镜。 虽然这些颜色是人眼看不到的，但科学家们将利用SPHEREx的红外数据来探索从宇宙诞生之初的物理学到地球等行星上水的起源等一系列问题。
从设计航天器到发射和运行，这是一条漫长的道路。 美国国家航空航天局（NASA）的 SPHEREx 航天器将试图回答有关宇宙的重大问题，其主要组成部分如图所示，上图为设计草稿，下图为更完整的设计图。 图片来源：NASA/JPL-Caltech
SPHEREx的首席研究员杰米-博克（Jamie Bock）说："我们是第一个以如此多的颜色观测整个天空的任务，每当天文学家以一种新的方式观察天空时，我们就能期待有新的发现"。他是美国宇航局喷气推进实验室（JPL）和加州理工学院的联合研究员，这两个实验室都位于南加州。
2024 年 4 月，美国宇航局的 SPHEREx 观测站在科罗拉多州博尔德的 BAE 系统公司进行集成和测试。 这架太空望远镜将在整个天空中使用一种名为光谱学的技术，捕捉宇宙的 100 多种颜色。 图片来源：BAE 系统公司
SPHEREx是宇宙历史、再电离纪元和冰层探测器分光光度计的缩写，它将收集波长略长于人眼可见光的红外光。 这台望远镜将使用分光镜把来自数百万恒星和星系的光线分解成不同的颜色，就像三棱镜把阳光变成彩虹一样。 这种详细的颜色分析可以揭示天体的成分、与地球的距离以及其他关键属性。
以下是 SPHEREx 将利用其全天空红外地图进行的三大科学调查计划：
宇宙起源
人眼所感知的颜色是不同波长的光。 颜色之间的唯一区别在于光波波峰之间的距离。 如果恒星或星系在移动，它的光波就会被拉伸或压缩，从而改变它们发出的颜色。 (声波也是如此，这就是为什么救护车鸣笛的音调在接近时会变高，而在经过时又会变低）。 天文学家可以测量光被拉伸或压缩的程度，并以此推断物体的距离。
SPHEREx 将运用这一原理绘制数亿个星系的三维位置图。 通过这种方法，科学家们可以研究宇宙膨胀的物理学原理。宇宙膨胀是指宇宙在大爆炸后不到一秒钟的时间内膨胀了万亿倍。 这种快速膨胀放大了物质分布中的微小差异。 由于这些差异至今仍烙印在星系的分布上，因此测量星系的分布可以让科学家们更多地了解通货膨胀是如何发生的。
星系起源
SPHEREx 还将测量远近所有星系产生的集体光辉--换句话说，就是星系在宇宙历史中发出的光总量。 科学家们曾试图通过观测单个星系并推断宇宙中数以万计的星系来估算光输出总量。 但这些计算方法可能会遗漏一些微弱或隐蔽的光源，比如太小或太远的星系，望远镜很难探测到。
利用光谱学，SPHEREx 还能向天文学家展示总光输出随时间的变化情况。 例如，它可能揭示出宇宙最早几代星系产生的光比以前想象的要多，这可能是因为它们比目前估计的更多或更大更亮。 由于光在太空中的传播需要时间，所以我们看到的遥远天体都是过去的样子。 而且，在光的传播过程中，宇宙的膨胀会拉伸光，改变光的波长和颜色。 因此，科学家们可以利用 SPHEREx 的数据来确定光传播了多远，以及它在宇宙历史的哪个阶段被释放出来。
水的起源
SPHEREx将沿着银河星系的900多万个独特方向测量冷冻水、二氧化碳和其他我们所知的生命基本成分的丰度。 这些信息将帮助科学家们更好地了解这些关键分子对形成行星的可用性。 研究表明，银河系中的大部分水是以冰而不是气体的形式存在的，它们被冻结在小尘粒的表面。 在恒星形成的稠密云层中，这些冰尘粒可能成为新形成的行星的一部分，并有可能形成像地球上那样的海洋。
由于化学元素和分子在其吸收和发射的颜色中会留下独特的特征，因此这项任务的彩色视图将使科学家们能够识别这些物质。
许多太空望远镜，包括美国宇航局的哈勃和詹姆斯-韦伯，都可以对单个天体或空间的小部分进行高分辨率、深入的光谱分析。 其他太空望远镜，如美国国家航空航天局（NASA）已退役的宽视场红外巡天探测器（WISE），旨在拍摄整个天空的图像。 SPHEREx 将这些能力结合起来，对整个天空进行光谱分析。
通过将针对天空特定部分的望远镜观测结果与 SPHEREx 的大视野相结合，科学家们将获得一个更完整、更丰富多彩的宇宙视角。
关于 SPHEREx 的更多信息
SPHEREx由美国国家航空航天局天体物理学部喷气推进实验室（JPL）管理，是一项开创性的太空任务，旨在利用红外分光镜以前所未有的细节探索宇宙。 SPHEREx 由 BAE 系统公司（原波尔宇航公司）建造，它将望远镜和航天器总线结合在一起，用于收集来自宇宙的数据。 一个由来自美国和韩国 10 个机构的科学家组成的全球团队将领导科学分析工作，而数据处理和存档工作将由加州理工学院的 IPAC 负责。 SPHEREx的首席研究员位于加州理工学院和JPL，其目标是绘制一幅可供公众访问的彩色宇宙地图，帮助人们揭开宇宙起源、星系形成和生命基本成分的奥秘。
编译自/ScitechDaily