給宇宙畫張102色全天星圖

4次掃描全天，觀測 4.5 億個星系，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射的巡天望遠鏡 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、再電離時代分光光度計和冰探測器（Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer）。這是一臺總質量僅 500 公斤，口徑只有 20 厘米的紅外望遠鏡。就鏡頭大小而言，完全沒法跟口徑 2.4 米的“哈勃”望遠鏡和口徑 6 米的“詹姆斯·韋布”望遠鏡比，預算金額也只有 4.88 億美元（“詹姆斯·韋布”總花費約 100 億美元）。

SPHERE的海報（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 個月的計劃任務中，SPHEREx 將完成 4 次全天光譜巡天觀測，收集超過 4.5 億個星系和銀河系中超過 1 億顆恒星的光譜數據。

別看它身材小，花費少，它的科學目標是很了不起的。主要任務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、尋找生命關鍵成分、繪制整個天空的星圖。

奇特的喇叭口

SPHEREx 望遠鏡將能“看見”波長為 0.75~5.0 微米的紅外光。這個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，波長也隨著時空的膨脹而被拉長，這導致宇宙早期的星系顏色呈現紅色，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、分子會吸收特定波長的光。對生命演化至關重要的水分子和二氧化碳分子在紅外波段的吸收表現得很明顯。SPHEREx 將會掃描我們的銀河系，尋找凍結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℃ 的低溫環境中運行。為了盡量躲避“眼角余光”，同時也為了阻擋探測器自身產生的熱量，工程師為 SPHEREx 設計了一個“大喇叭”，那正是專門為擋光設計的錐形遮罩，而且里外共有三層。同時配有一套完全被動冷卻系統——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獲得 102 條不同波段的光。

有了 SPHEREx 的光譜圖，科學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（來源：NASA/Caltech）

天文學家估計，在 SPHEREx 繪制的星圖中，大概能包含 4.5 億個星系。試想，當同時得到那么多星系的光譜和光度時，就能估計出在宇宙在 100 多億年里，所有星系的總的光線的輸出，你將有機會全面了解宇宙的歷史，就像播放幻燈片一樣。打個比方，你給數千人拍攝集體照，然后觀察照片發現年紀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，宇宙的大小增加了 1024 倍。這個過程被稱為暴脹。聽上去很難讓人想象，但它可能是形成我們現在宇宙形態的關鍵所在。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）

當前，遠在 150 萬公里外的“詹姆斯·韋布”望遠鏡已經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，能為我們展現宇宙秘密花園中的一棵草，卻無法展現花園的全貌。SPHEREx 則能很好地彌補這個缺憾，正如其縮寫名字，它將覆蓋整個天空。未來，SPHEREx 將與“詹姆斯·韋布”“歐幾里得”“哈勃”等望遠鏡聯動，一旦它發現了什么特別有價值的目標，它將通知其他望遠鏡進行更細致的觀測與研究。

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/