美國國家航空暨太空總署（NASA）的SPHEREx任務將於2025年4月發射，它不是第一台觀測數億顆恆星和星系的太空望遠鏡，但它將是第一台能夠觀測102種紅外線顏色的太空望遠鏡。 雖然這些顏色是人眼看不到的，但科學家將利用SPHEREx的紅外線資料來探索從宇宙誕生之初的物理學到地球等行星上水的起源等一系列問題。

從設計太空船到發射和運行，這是一條漫長的道路。 美國國家航空暨太空總署（NASA）的SPHEREx 太空船將試圖回答有關宇宙的重大問題，其主要組成部分如圖所示，上圖為設計草稿，下圖為更完整的設計圖。 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

SPHEREx的首席研究員 Jamie Bock（Jamie Bock）說：「我們是第一個以如此多的顏色觀測整個天空的任務，每當天文學家以一種新的方式觀察天空時，我們就能期待有新的發現”。他是美國太空總署噴射推進實驗室（JPL）和加州理工學院的共同研究員，這兩個實驗室都位於南加州。

2024 年4 月，美國太空總署的SPHEREx 觀測站在科羅拉多州博爾德的BAE 系統公司進行整合和測試。 這架太空望遠鏡將在整個天空中使用一種名為光譜學的技術，捕捉宇宙的100 多種顏色。 圖片來源：BAE 系統公司

SPHEREx是宇宙歷史、再電離紀元和冰層探測器分光光度計的縮寫，它將收集波長略長於人眼可見光的紅外光。 這台望遠鏡將使用分光鏡把來自數百萬恆星和星系的光線分解成不同的顏色，就像三角鏡把陽光變成彩虹一樣。 這種詳細的顏色分析可以揭示天體的成分、與地球的距離以及其他關鍵屬性。

以下是SPHEREx 將利用其全天空紅外線地圖進行的三大科學調查計畫：

宇宙起源

人眼所感知的顏色是不同波長的光。 顏色之間的唯一區別在於光波波峰之間的距離。 如果恆星或星系在移動，它的光波就會被拉伸或壓縮，從而改變它們發出的顏色。 (聲波也是如此，這就是為什麼救護車鳴笛的音調在接近時會變高，而在經過時又會變低）。 天文學家可以測量光被拉伸或壓縮的程度，並以此推斷物體的距離。

SPHEREx 將運用此原理繪製數億個星系的三維位置圖。 透過這種方法，科學家可以研究宇宙膨脹的物理學原理。宇宙膨脹是指宇宙在大爆炸後不到一秒鐘的時間內膨脹了萬億倍。 這種快速膨脹放大了物質分佈中的微小差異。 由於這些差異至今仍烙印在星系的分佈上，因此測量星系的分佈可以讓科學家們更了解通貨膨脹是如何發生的。

星繫起源

SPHEREx 也將測量遠近所有星系產生的集體光輝–換句話說，就是星系在宇宙歷史中發出的光總量。 科學家曾試圖透過觀測單一星系並推斷宇宙中數以萬計的星系來估算光輸出總量。 但這些計算方法可能會遺漏一些微弱或隱藏的光源，例如太小或太遠的星系，望遠鏡很難偵測到。

利用光譜學，SPHEREx 也能向天文學家展示總光輸出隨時間的變化。 例如，它可能揭示宇宙最早幾代星系產生的光比以前想像的要多，這可能是因為它們比目前估計的更多或更大更亮。 由於光在太空中的傳播需要時間，所以我們看到的遙遠天體都是過去的樣子。 而且，在光的傳播過程中，宇宙的膨脹會拉伸光，改變光的波長和顏色。 因此，科學家可以利用SPHEREx 的數據來確定光傳播了多遠，以及它在宇宙歷史的哪個階段被釋放出來。

水的起源

SPHEREx將沿著銀河星系的900多萬個獨特方向測量冷凍水、二氧化碳和其他我們所知的生命基本成分的豐度。 這些資訊將幫助科學家們更了解這些關鍵分子對形成行星的可用性。 研究表明，銀河系中的大部分水是以冰而不是氣體的形式存在的，它們被凍結在小塵粒的表面。 在恆星形成的稠密雲層中，這些冰塵粒可能成為新形成的行星的一部分，並有可能形成像地球上的海洋。

由於化學元素和分子在其吸收和發射的顏色中會留下獨特的特徵，因此這項任務的彩色視圖將使科學家能夠識別這些物質。

許多太空望遠鏡，包括美國太空總署的哈伯和詹姆斯-韋伯，都可以對單一天體或空間的小部分進行高解析度、深入的光譜分析。 其他太空望遠鏡，如美國國家航空暨太空總署（NASA）已退役的寬視野紅外線巡天探測器（WISE），旨在拍攝整個天空的影像。 SPHEREx 將這些能力結合起來，對整個天空進行光譜分析。

透過將針對天空特定部分的望遠鏡觀測結果與SPHEREx 的大視野結合，科學家將獲得一個更完整、更豐富多彩的宇宙視角。

關於SPHEREx 的更多信息

SPHEREx由美國國家航空暨太空總署天文物理學部噴射推進實驗室（JPL）管理，是一項開創性的太空任務，旨在利用紅外線分光鏡以前所未有的細節探索宇宙。 SPHEREx 由BAE 系統公司（原波爾太空公司）建造，它將望遠鏡和太空船總線結合在一起，用於收集來自宇宙的數據。 由來自美國和韓國10 個機構的科學家組成的全球團隊將領導科學分析工作，而數據處理和存檔工作將由加州理工學院的IPAC 負責。 SPHEREx的首席研究員位於加州理工學院和JPL，其目標是繪製一幅可供公眾訪問的彩色宇宙地圖，幫助人們揭開宇宙起源、星系形成和生命基本成分的奧秘。

編譯自/ ScitechDaily