300天的数据催生了40年的红外天文学

玛西·哈伯著(加州理工学院/IPAC)

当美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)于2022年发布了第一批期待已久的图像时，激励了下一代天文学家和天文爱好者，可能很少有人知道这些令人惊叹的图像是由一颗名为红外天文卫星(IRAS)的小型太空卫星实现的。

IRAS发射于40年前的今天，即1983年1月25日，它是第一个在红外波段对天空进行全面、可靠调查的太空望远镜。“探索者”系列卫星的62个独立探测器在10个月的时间里扫描了96%以上的天空，捕获了大约35万个红外光源，并绘制了一幅引人注目的银河系新星图。IRAS的红外波长使它能够深入观察在可见光波段被遮挡的气体云和尘埃云，研究极冷的物体，以及研究遥远宇宙中的物体。这些来源的特征是正常恒星、新形成的恒星仍然嵌在它们的原生气体云和尘埃云中、具有极端性质的恒星、正常星系和超发光星系，它们的大部分能量都在红外、彗星和小行星中发射。

四十年后，研究人员继续定期访问该任务的目录。天体物理学数据系统(ADS)列出了2018年至2022年发表的大约3500篇同行评议论文，这些论文引用了IRAS数据或目标，平均每年超过500篇。IRAS数据集位于加州理工学院IPAC的NASA红外科学档案馆(IRSA)。仅在2022年，用户就向IRSA提交了超过23.7万份IRAS数据查询。

IRAS任务是美国、荷兰和英国空间机构之间的一个联合项目，催生了天文学的新研究领域。美国科学小组由加州理工学院的Gerry Neugebauer领导，其中包括加州理工学院的Tom Soifer，他后来成为了IPAC斯皮策太空望远镜科学中心的主任。现任IPAC主任乔治·海卢(George Helou)曾在该任务中担任博士后。

即将完成的IRAS航天器在喷气推进实验室的洁净室

Charles“Chas”Beichman是上世纪90年代IPAC的前任主任，现任加州理工学院/IPAC NASA系外行星科学研究所(NExScI)的执行主任，作为JPL的工作人员参与了IRAS任务，研究与太阳类似的恒星。这次任务产生了许多惊喜。他说:“我们很早就发现，我们使用的校准星织女星，由于碎片盘的存在，有一个巨大的红外过量。”“在我看来，这导致了系外行星科学的诞生——我们在发现第一批行星本身的10年前就发现了行星的特征。”

对天文学家来说，“碎片盘”是由岩石和尘埃组成的弥散带，它们可能是行星形成早期的残留物，就像我们太阳系中的小行星带一样。这些碎片太过稀疏和微小，无法直接成像——天文学家必须努力工作才能在我们的太阳系内找到局部小行星——但由于来自其中心恒星的光的温暖，它的集体热光可以通过红外望远镜测量。这种“多余”的红外亮度与预期的更热的恒星发射相比显得很突出。在夜空中第五亮的恒星(也被称为天琴座阿尔法星)周围发现的碎片盘支持了行星由围绕年轻恒星运行的气体和尘埃盘形成的理论。 

1995年飞马座51号发现了第一颗系外行星，但IRAS证明了天基红外天文学在技术上是可行的，对天体物理学的几乎每个分支来说都是非常令人兴奋的。IRAS的成功导致了更大更强大的红外望远镜，包括美国宇航局的斯皮策太空望远镜，宽视场红外巡天探测器(WISE)，以及最近的JWST。未来的任务，如近地天体勘测者将继续利用红外技术来发现潜在危险的小行星和彗星。IRAS还推动了esa领导的任务，包括红外空间天文台(ISO)，赫歇尔，在某种程度上还有普朗克，以及jaxa领导的任务AKARI。

Beichman说，他正在用JWST的6.5米望远镜观察一些目标，就像他40年前用IRAS的60厘米望远镜观察的一样，包括北落师门、织女星和绘面二。

“我研究的一条主线是寻找原恒星和行星，从大质量恒星和行星开始，向下推到像我们的太阳这样的恒星，最终到像我们的地球这样的行星。”Beichman说。“我用IRAS的目标是找到太阳类型的恒星，而不是更明亮的O星和B星，这是地面望远镜唯一能探测到的东西。有了IRAS，就有可能向下寻找像太阳这样的恒星，它们形成后的最初几百万年就被捕获了。行星是显而易见的下一步，但虽然IRAS无法探测到行星，但它确实发现了碎片盘，这是行星形成时代留下的固体物质环，是行星形成的标志。”

“绘卫二有一个非常明亮的碎片盘，是由IRAS探测到的，很快就被日冕仪观测到，揭示了一个壮观的边缘盘。这是一个典型的形象。喷气推进实验室的Rich Terrile观察了这颗恒星，因为IRAS观测到一个巨大的红外过量，这超过了恒星本身的预期发射。”Beichman说，并指出Beta Pic现在有两颗确认的行星，是JWST的密集观测目标。

IRAS也被认为彻底改变了天文学家处理、共享和处理数据的方式。事实上，IPAC是作为IRAS任务的数据处理中心而建立的，因此它最初的名字是:红外处理和分析中心。同时，IPAC的科学家和工程师开发了早期版本的工具，以访问大型天体目录。其中许多仍在IPAC上使用。他们还使用了(当时的)尖端技术，比如特殊的图形显示，这是标准单色命令行界面的一个升级。 

Beichman说:“我们只获得了300天的数据，但随后花了几年时间在IBM 360计算机上生成目录和图像。”“IPAC的很多工作人员每天都在处理数据。”

IPAC成立于加州理工学院校园，是喷气推进实验室和加州理工学院的合作项目，旨在招待一系列对这些革命性数据集感兴趣的美国和国际科学家。事实上，IRSA是最早的电子天文数据档案之一。“NASA意识到目录和图像是如此丰富，他们应该用这些数据资助社区工作。”Beichman说。“我们会安排访客——没有互联网，没有Zoom，没有虚拟工作。如果你想要访问数据，你必须来到帕萨迪纳市，使用我们的目录和图像处理工具，并与我们的科学家合作，他们将与你一对一地合作，帮助你完成你的项目。”

IRAS和IPAC的一项主要贡献是证明，在轨道上获得数据后的几个月内，可以公开可靠的、记录良好的和科学就绪的数据产品。

自那以后，IPAC继续执行其使命，在许多波长上实现变革性研究，与研究界合作，支持当前和未来的太空和地面任务，但IRAS将永远被铭记为IPAC在支持美国和国际天文学家界方面重要作用的起点。

贝奇曼说:“是IRAS让IPAC出名。“对我来说，IRAS的持久遗产之一是与这样一个伟大的国际科学家和工程师团队合作，他们使任务及其数据产品成为可能。我想起了莎士比亚的《亨利五世》中王子的演讲，‘我们少数人，我们幸福的少数人，我们一帮兄弟’，他们将在阿金库尔并肩作战，或者在我们的情况下，为IRAS工作。”

这张图像显示了几乎整个天空，从红外波长看，以半度分辨率投影，由红外天文卫星(IRAS)六个月的数据组装而成。明亮的水平带是银河系的平面，星系的中心位于图片的中心。(因为银河系离我们很近，所以我们看到的整个天空都是银河系，如图所示。然而，IRAS处理后的数据显示了天空中较小的区域，揭示了银河系之外的数千个来源。)这些颜色代表了望远镜四个波段中的三个波段探测到的红外发射——蓝色是12微米;绿色是60微米，红色是100微米。较热的材料呈蓝色或白色，较冷的材料呈红色。横过图像的朦胧的水平s形特征是太阳系平面上尘埃发出的微弱热量。照片中可见的天体是蛇夫座(银河中心正上方)和猎户座(平面下方最亮的两个点，最右边)的恒星形成区域。大麦哲伦云是相对孤立的点，位于平面下方，中间偏右。黑色条纹是天空中在望远镜运行的前六个月里没有被扫描到的区域。来源:美国国家航空航天局/姓名

这张银河中心(明亮的左上方区域)和蛇夫座恒星形成区域的图像是红外天文卫星(IRAS)根据数据重建的早期图像。虽然IRAS并不是为拍摄天空图像而设计的，但该数据集扫描了背景红外水平的低水平、广泛变化，后来被确定为“红外卷云”。IPAC的科学家和工程师们意识到，他们可以使用扫描来重建天空的实际图片。来源:美国国家航空航天局/姓名

IRAS最初发现了大量过量的红外辐射，这使得天文学家拍摄了像这里所示的可见光日冕成像。随后的日冕仪观测揭示了两颗木星大小的环绕行星的存在。信贷:ESO / a m。拉格朗日等人。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。