翱翔的NASA EXCITE科學氣球將揭示遙遠行星的奧秘
EXCITE任務將發射一個科學氣球，利用紅外線技術觀測系外行星的大氣層，重點是熱木星。這個由美國國家航空暨太空總署（NASA）支持的計畫旨在透過採用先進的光譜技術和捕捉整個行星軌道的詳細溫度曲線，擴大我們對其他世界的了解，為未來的太空研究和技術鋪平道路。
EXCITE 飛行任務將利用科學氣球探索系外行星大氣層，旨在詳細了解熱木星的溫度和大氣成分。資料來源：國際雙子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M.Zamani
科學家和工程師們準備將一項名為EXCITE（EXoplanet Climate Infrared TElescope）的紅外線任務飛往太空邊緣。
EXCITE的設計目的是在環極長時間科學氣球飛行中研究系外行星或太陽系外世界周圍的大氣層。但首先，它必須在美國太空總署2024 年秋季從新墨西哥州薩姆納堡進行的科學氣球飛行活動中完成一次試飛。
位於馬裡蘭州格林貝爾特的美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心（NASA’s Goddard Space Flight Center）的這項任務的首席研究員彼得-納格勒（Peter Nagler）說：”EXCITE可以透過在行星繞其恆星運行的整個過程中收集數據，為我們提供行星大氣層和溫度的三維圖像。
EXCITE（EXoplanet Climate Infrared TElescope）懸掛在新墨西哥州薩姆納堡哥倫比亞科學氣球設施的天花板上。任務小組在飛行前透過夜間觀察氣球門外的情況來練習觀測。圖片來源：NASA/Jeanette Kazmierczak
EXCITE將研究熱木星，即每一到兩天完成一次軌道運行、溫度高達數千度的巨型氣體系外行星。這些世界被潮汐鎖定，這意味著同一面始終朝向恆星。望遠鏡將觀察熱量是如何在行星上分佈的，從面向恆星的滾燙半球到相對較冷的夜面。
它還將確定一個世界的大氣層中的分子在整個軌道上是如何吸收和發射光線的，這個過程被稱為相位分辨光譜學。這些數據不僅可以揭示化合物（如水、甲烷、二氧化碳等）的存在，還可以揭示它們在行星圍繞恆星運行時是如何在全球範圍內循環的。
美國國家航空暨太空總署（NASA）的哈伯、詹姆斯-韋伯和退休的史匹哲太空望遠鏡已經收集了大量這樣的測量數據。例如，2014 年，哈伯和史匹策觀測到一顆名為WASP-43 b 的系外行星。要在全世界每天22 小時的時間內收集數據，科學家需要哈伯60 小時的時間和史匹哲46 小時的時間。像這樣在天基觀測站上進行資源密集研究是很困難的。時間是有限的資源，研究必須與數以百計的其他時間請求競爭。
EXCITE 團隊成員、馬裡蘭大學巴爾的摩郡分校和NASA Goddard的研究科學家Kyle Helson 說：「在首次科學飛行期間，EXCITE 的目標是從哥倫比亞科學氣球設施在南極洲的站點飛行十幾天。在極地，我們要研究的恆星不會落下，因此我們的觀測不會中斷。
EXCITE 將透過一個充滿氦氣的科學氣球飛到約13.2 萬英尺（40 公里）的高空。這將使它飛越地球大氣層的99.5%。在這一高度，望遠鏡將能夠在幾乎不受干擾的情況下觀測多種紅外線波長。
圖中所示的EXCITE 紅外線偵測器曾是NASA 詹姆斯-韋伯太空望遠鏡NIRSpec（近紅外線攝譜儀）儀器的候選飛行器。在被添加到飛行任務的光譜儀組件之前，它被安裝在一個銅底座上，上面還有一個黑色保護殼。此探測器可讓EXCITE 收集1 到4 微米的光譜測量數據–電磁波譜的近紅外線部分。圖片來源：NASA/Sophia Roberts
EXCITE 團隊成員、亞利桑那州立大學坦佩分校研究生研究助理Lee Bernard 說：”望遠鏡收集紅外光，然後將其傳送到光譜儀，在光譜儀上，紅外光會經過一個小障礙。它從鏡子上反彈並穿過棱鏡，然後到達探測器。
光譜儀安裝在望遠鏡後方一個叫做低溫恆溫器的容器內。低溫恆溫器可以將光譜儀的偵測器–曾經是韋伯的近紅外光譜儀（NIRSpec）的候選飛行器–冷卻到華氏零下約350度（攝氏零下210度），這樣它就可以測量紅外光中微小的強度變化。
整個望遠鏡和低溫恆溫器組件放在一個行船狀的底座上，可以沿著三個軸旋轉，以保持穩定的指向，最小可達50 毫微秒。這就好比在65 英里之外穩定地註視一枚美國25 分硬幣。
EXCITE 團隊成員、羅德島普羅維登斯布朗大學研究生研究助理Tim Rehm 說：”多個不同機構為EXCITE 的子系統做出了貢獻。很高興看到它們全部組裝在一起並協同工作。我們很高興能進行這次試飛，並期待未來的所有科學飛行。
EXCITE 儀器主要由美國國家航空暨太空總署戈達德分局、布朗大學、亞利桑那州立大學和安大略StarSpec Technologies 公司製造，美國、加拿大、義大利和英國的合作者也提供了支援。
美國國家航空暨太空總署的科學氣球提供了頻繁、低成本進入近太空的機會，以進行天文物理學、太陽物理學和大氣研究等領域的科學調查和技術成熟，以及培訓下一代工程和科學領域的領導者。若要追蹤2024 年薩姆納堡秋季活動中的任務，請造訪NASA 的CSBF（哥倫比亞科學氣球設施）網站，即時更新氣球的高度和飛行期間的GPS位置。
美國國家航空暨太空總署位於維吉尼亞州的沃勒普斯飛行設施負責管理該局的科學氣球飛行計劃，每年從世界各地的發射場進行10 至15 次飛行。佩拉頓公司在德州營運CSBF，為美國太空總署的科學氣球計畫提供任務規劃、工程服務和現場操作。 CSBF 團隊在約40 年的營運中發射了1700 多個科學氣球。 NASA 的氣球由Aerostar 製造。 NASA 科學氣球計畫由NASA 總部科學任務局天文物理學處資助。
編譯自/ scitechdaily