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国际紫外线探测卫星

国际紫外线探测卫星（英语：International Ultraviolet Explorer，缩写：IUE），或翻译为国际紫外线探测器，是以紫外线为主要观测波段的空间望远镜。该空间望远镜是美国国家航空航天局、欧洲空间局和英国自然科学及工程研究委员会（SERC）的合作计划。该计划最早在1964年由一群英国科学家提出，并于1978年1月26日以 NASA 的三角洲系列运载火箭发射。该任务的预定执行时间为3年，但最后它延续了几乎满18年，直到1996年仪器被关机为止。被关机的原因是因为预算因素，而关机时它的望远镜运作仍跟最初状态相去不远。

国际紫外线探测卫星
Explorer 57
SMEX/IUE
IUE
基本资料
NSSDC ID1978-012A
组织机构NASA
ESA
SERC
发射日期1978年1月26日
发射载体Delta 2914
任务时长1996年9月30日（仪器关机，但仍留在轨道上）
质量672 kg
轨道类型地球同步轨道
轨道高度远地点42,000公里，近地点26,000公里
轨道周期24小时
望远镜类型里奇-克莱琴卡塞格林反射镜
波段紫外线
口径45公分
焦距f/15
仪器
两组阶梯光栅摄谱仪115到198 nm 和 180到320 nm 光谱
网站ESA Science and Technology NASA IUE Archive

IUE 是第一个天文学家在美国和欧洲的地面站进行实时观测的空间望远镜。天文学家使用 IUE 对自太阳系至类星体等不同距离的天体观测了超过10万4千次。来自该卫星的重要科学成果包含首次对恒星风的大尺度研究、星际尘埃吸收光量的准确方式，以及对超新星SN 1987A的观测显示它和先前所知的恒星演化模型不同。当该任务结束时被认为是比先前的其他天文卫星任务更加成功。

历史 编辑

动机 编辑

人眼可以看到波长约350（紫色）到700（红色）奈米的光。紫外线的波长大约在10到350奈米之间。紫外线会对人类造成伤害，并且会被臭氧层大量吸收，使天文学家无法在地表以紫外线波段观测天体。许多种类的天体会辐射大量的紫外线辐射，它们可以是表面温度足够高到能释放紫外线的宇宙中最高温和最大质量的恒星。活动星系核、吸积盘和超新星都可以发出强烈紫外线辐射，并且许多种元素在紫外线波段有强烈的吸收线。因此，星际物质造成的紫外线吸收线是研究其化学成分的有用工具。

在太空时代以前紫外线天文学这一分支是无法发展的，而最早期的一批空间望远镜被设计为观测先前电磁波谱上无法观测的紫外线波段。在之前特别成功的紫外线观测卫星是轨道天文台的第二颗卫星，该卫星搭载了口径20公分的紫外线望远镜。它发射于1968年，并且对1200个天体进行首次紫外线观测，其中大部分是恒星 [1]。该任务的成功让天文学家考虑执行更大规模的任务。

概念 编辑

 
保存于史蒂文·乌德沃尔哈齐中心的 IUE 控制与显示系统外壳。

最终成为 IUE 任务的轨道紫外线天文卫星概念最早是于1964年由英国天文学家罗伯特·威尔逊提出[2]。欧洲空间研究组织（European Space Research Organisation，ESRO）当时正计划进行一个“大天文卫星”（Large Astronomical Satellite，LAS）计划，并试图从天文界所提出的建议中决定目标和设计。威尔逊带领的英国天文学家团队提出了紫外线摄谱仪计划，并且其设计建议于1966年被接受了。

但是因为管理问题和预算超支，导致 LAS 计划于1968年被取消[2]。威尔逊的团队缩小计划规模，并重新提出预算较低的建议案，但并未和宇宙射线卫星一样被优先选择。他们并未放弃这个紫外线卫星的构想，因此将这项计划送交美国 NASA 的相关主管利奥·戈德堡，并于1973年被批准。本计划因此被更名为“国际紫外线探测卫星”[2][3]。

设计与目的 编辑

本计划一开始设计就是实时操作，而非遥控。因此它必须被发射进轨道周期和恒星日相等（23小时56分）的地球同步轨道。在这个轨道的卫星可以被地球上一个特定地点长时间监测，使卫星可以长时间接收资料到单一地面接收站。哈勃空间望远镜等大多数空间望远镜都是在近地轨道，因此大多数时间都是自主控制，地面只能短时间监测。以哈勃为例，它的轨道高度约600公里，而地球同步轨道的平均高度为3万6千公里。

除了可以和地面站长时间通讯以外，地球同步轨道还可让卫星连续观测大片天区。因为这种轨道和地表距离较远，地球在天区所占面积较从近地轨道卫星所见要少。

 
IRAS—荒贵—阿尔科克彗星是在1983年发现的第七颗彗星。本图合并了 IUE 所搭载的微小误差感应器显示的朦胧彗尾和长波冗余光谱，可显示硫和羟基的分子发射线。

将卫星发射入地球同步轨道所需要的能量远高于发射入近地轨道。这代表望远镜的体积需要相对较小，因此望远镜主镜口径45公分，总重量312公斤[4]。相较之下，哈勃空间望远镜的重量11.1公吨，主镜口径2.4米；目前最大的地面光学望远镜是加那利大型望远镜，主镜口径10.4米。较小的主镜代表接收的光量较少，因此空间分辨率也较大主镜的望远镜低。

在任务开始时，望远镜的既定目标如下[5]：

  • 获得各光谱类型恒星的高分辨率光谱资料，以确认其物理性质。
  • 研究联星系统周围的气体流
  • 以低解吸度光谱观测低亮度恒星、星系和类星体，并以高分辨率光谱为参考进行研究。
  • 对行星和彗星进行光谱观测。
  • 反复观测光谱会变化的天体。
  • 研究星际物质对恒星光的影响。

制造和工程技术 编辑

 
IUE 科学硬件设备的核心。望远镜筒和遮阳板从支撑座的枢轴延伸，照相机位于正下方，并且部分反射镜和衍射光栅位于底部。自组件中点延伸的盒状物在空间探测器的陀螺仪位置上。
 
望远镜简易光路图。

本望远镜是美国国家航空航天局、欧洲空间研究组织（1975年改组为欧洲空间局）和英国自然科学及工程研究委员会的联合计划。 SERC 提供一个供摄谱仪使用的光导摄像管（Vidicon）以及科学仪器的控制程式。ESA 提供一个太阳能电池阵列作为探测器动力来源，以及位于西班牙卡尼亚达新镇欧洲太空天文中心内的地面观测设备。NASA 提供望远镜、摄谱仪和空间探测器本体以及发射载具，并且另一套地面观测设备设于戈达德太空飞行中心。

根据协议，本计划的出资单位中 NASA 将分配到三分之二的观测时间，ESA 和 SERC 各分配到六分之一的观测时间。

镜片 编辑

IUE 的望远镜是属于反射式的里奇-克莱琴望远镜，其主镜和次镜都是双曲面镜。望远镜主镜口径45公分，可提供视野16角分（太阳或月球在天球上的视直径一半）的高分辨率影像。并且为了减轻重量、预算的控制和光学品质，主镜是以金属铍制作，副镜以熔融石英制作

仪器 编辑

 
组装完成的 IUE，望远镜筒位于上方，太阳能板展开中。

IUE 的仪器由对望远镜进行指向和导引的微小误差感应器（Fine Error Sensors，FES）、高与低分辨率摄谱仪各一和四个感应器组成。

仪器中有两组微小误差感应器，它们的第一个用途是已可见光拍摄视野中的影像。这两组感应器可以拍摄到光度大约是肉眼在地表可见最暗恒星一千五百分之一的视星等14等恒星。影像传输到地面站后，观测人员就可验证望远镜指向正确的视野，并且对准确定的观测天体。如果被观测的天体视星等小于14等，观测人员会将望远镜指向可被观测的恒星，然后进行偏移以确认天体座标。这个步骤的天体指向精确度通常低于2角秒[6]。

微小误差感应器的拍摄功能是望远镜唯一的获取影像能力，并且是在紫外线波段，而且只记录光谱。因此该感应器配置两组摄谱仪，分别是短波摄谱仪和长波摄谱仪；两者观测的波长范围分别是115到200奈米和185到330奈米。每组摄谱仪都有高分辨率和低解吸度模式，光谱分辨率分别是0.02和0.6奈米[7]。

摄谱仪可使用两个观测孔的其中任何一个。较大的观测孔是一个视野大约10 × 20角秒的狭缝；较小的则是视野直径约3角秒的圆孔。望远镜光学系统的品质让点光源的直径大约3角秒，因此必须使用较小的观测孔进行非常精确的指向，并且不需要接收天体辐射的所有光线。较大的观测孔相当常用，较小的则只在较大视野中有不希望存在的天体发射的辐射时使用[7]。

每个摄谱仪上装有两个照相机，一个是主要使用的，另一个则是备用的。四组照相机分别命名为 LWP、LWR、SWP 和 SWR，P 代表主要的、R 代表备用的、而 LW/SW 则代表短/长波长。这些照相机是只能观测可见光的电视照相机，并且从望远镜和摄谱仪收集的光会先进入一个将紫外线转为可见光的转换器。这是一个铯－碲阴极，在可见光下不反应，但碰到紫外线光子时会因为光电效应而释放电子。释放的电子被电视照相机接收后会累积数小时讯号，并在曝光结束时传送到地球 [4]。

任务 编辑

 
IUE 于1978年1月26日由三角洲2914型火箭发射。

发射 编辑

于1978年1月26日在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角以三角洲系列运载火箭发射[8]。它被发射到转移轨道后由探测器上的火箭推进入计划的地球同步轨道。该轨道相对地球赤道的倾角是28.6°，轨道离心率0.24。这代表卫星和地球距离在25,669至45,887公里之间变化[4]。而地表追踪起初是以大约西经70度为中心。

调试 编辑

IUE 任务的首60日被指定为调试期，并分为三个阶段。首先，当仪器一开启就马上观测一小部分高优先的目标天体以确认在早期的失效状态中获得一些资料。首个光谱资料来自大熊座恒星瑶光，它是在发射后3日为了校正而观测获得的[8]。第一批科学观测目标天体包含了月球以及火星到天王星等各行星、海山二等高温恒星、天苑四等低温恒星、黑洞候选者天鹅座X-1、以及M81和M87等星系[9][10][11][12][13]。

第二阶段探测器会进行测试和优化。望远镜会进行对焦，并且各波段的主要和备用相机都进行测试。测试中发现 SWR 相机不能正常运作，因此在整个任务中使用 SWP 相机。起初该相机遭受严重的电子噪音干扰，但噪音来源却追溯到发射后用来对准望远镜方向的感应器。一旦感应器关闭，相机就可如预期运作[8]。然后在将相机调整到最佳性能，再进行望远镜回转和指向的评估以及优化[14]。

最后是对影像品质和光谱分辨率进行研究和描述，并且观测著名恒星以校正望远镜、摄谱仪和照相机[14]。

在以上三个阶段完成后，IUE 的常规操作阶段于1978年4月3日开始。大部分的优化、评估和校正作业并未完成，但科学家已相当了解望远镜开始进行常规科学观测时的状态[14]。

使用 编辑

IUE 的观测时间分配是根据 NASA、ESA 和 SERC 在卫星制造时的相对贡献城度分配：三分之二的时间是 NASA 使用，ESA 和 SERC 各使用六分之一的时间。望远镜时间的取得是透过递交建议书，并且每年都会进行一次审查。三个机构各自独立分配自己所属的观测时间[15]，任何国家的天文学家都可以向自己所偏好的单位申请观测时间。

如果天文学家获得观测时间，其分配到的时段将会被列入计划表中。而天文学家必须到地面站操作卫星，让天文学家可以看到并评估其获得得的资料。这种操作模式和大多数其他的空间望远镜相当不同，因为其他计划的资料并非实时送给相关天文学家，因此 IUE 的模式较像地面望远镜。

地面支援 编辑

IUE 的大部分任务时间中是将1日分成3个各8小时的时段进行操作，其中两个时段由位于美国马里兰州戈达德太空飞行中心（GSFC）的人员操作，另一个则是由位于西班牙马德里附近卡尼亚达新镇的欧洲空间局地面站操作[16]。因为它的轨道是椭圆形，探测器每天都会有部分时段在范艾伦辐射带内，在这段时间内进行的科学观测会有较高的背景噪声。这段时间在每日美国方面操作的第二个时段内，因此科学家主要利用这段时间进行探测器观测效正和内部检查，以及短时间曝光就可进行的科学观测[17]。

在西班牙和美国之间每日要进行两次必要的跨大西洋切换电话联系。地面站之间的观测并不协调，将会使切换后进行观测的天文学家进行望远镜方向调整时不知道要指向哪个方向。这有时意味着改变观测目标将会以漫长的指向程序开始，但这让安排观测时段时允许最大的弹性。

资料传输 编辑

IUE 每次观测结束时资料都会实时传到地面站。IUE 的照相机会读出尺寸768×768像素的影像，并且会以类比数位转换器转换为8位元动态范围的资料[4]。接着资料会以探测器上六个传输器的其中一个送往地面站。四个设在探测器周围的传输器是在S波段使用，使探测器在各种姿势下都可将资料传回地面；而两个 VHF 的传输器可在较低带宽下对任何方向传输资料，并消耗较少电力。VHF 传输器在位于地球阴影处使用，并且电力来源是电池，而非太阳能[18]。

在正常操作中，观测者可以让望远镜保持相同姿势约20分钟让资料传输。如果观测者选择重复观测或转移到下一个目标，则可以在下次观测时将资料传回地球。

传输的资料原本只用于快速预览，稍后工作人员对此进行了完整校正。接着天文学家在处理后以邮寄磁带的方式传送资料，花费约一星期。从观测日开始六个月的时间是只有观测者才能处理的专有期间，之后资料开放给所有人使用[19]。

科学结果 编辑

 
依据 IUE 观测结果绘制的全天投影图。

IUE 让天文学家首次看到许多种天体发出的紫外线，并且开始在紫外线波段下研究近自太阳系，远至类星体的各类天体。在任务期间数百位天文学家使用 IUE 进行观测，并且在任务的前十年中有超过1500篇基于 IUE 资料的同行评审论文出版。国际天文联合会的九个专题研讨会是讨论 IUE 的相关科学成果[20]。

太阳系 编辑

IUE 观测了太阳系所有的行星，除了水星因为与太阳之间最大距角只有28°，在望远镜无法观测的太阳周围45°范围内而没有被观测。IUE 发现金星大气层内一氧化硫和二氧化硫含量在1980年代期间大幅下降[21]。至今仍未完全了解下降的原因，但有一假说是金星大气层内的硫化物来自大规模火山活动，火山活动的停止造成硫化物含量下降[22]。

哈雷彗星在1986年到达近日点时，IUE 对它进行了深入观测，并且是和其他地面望远镜以及其他空间探测器一起进行。紫外线光谱资料被用来估计彗星尘埃与气体的流失率，IUE 的观测允许天文学家推测出在彗星通过内太阳系期间失去总共3×108公吨的水[23]。

恒星 编辑

IUE 的研究中最明显的一些成果是高温恒星。表面温度超过10,000 K的恒星发出的辐射大多是紫外线；如果天文学家只研究紫外线，将会流失许多资讯。绝大多数恒星的表面温度低于太阳，但有部分大质量且高亮度的高温恒星会散出大量物质进入星际空间，而且大多数恒星的演化终点白矮星刚形成时的表面温度更可高达100,000 K。

IUE 发现许多联星系统是主序星和白矮星的结合，例如白矮星就是这类的系统。在可见光下主序星的亮度远高于白矮星，但紫外线下白矮星的亮度和主序星相当甚至更高。白矮星表面较高的温度代表它辐射较多的短波辐射。在这样的系统中，白矮星原本是质量更高的恒星，但在演化的最末期失去大部分质量而形成白矮星。对联星系统的成员星运动观测是唯一一种直接测量恒星质量的方式。观测位于大不相同阶段的这类联星系统可以用来判定恒星质量与演化过程的关系[24]。

质量在太阳10倍以上的恒星会有相当强烈的恒星风。太阳因为太阳风每年损失10−14倍太阳质量，而太阳风速度最高可达750 km/s；但大质量恒星的质量损失率最高可达太阳损失率的10亿倍，并且恒星风速每秒数千公里。这些恒星的年龄约数百万年，并且恒星风会使大量质量流失，并且对恒星是否会成为超新星有决定性影响[25]。恒星直亮的损失最早是在1960年代由探空火箭上的望远镜发现，不过 IUE 允许天文学家观测非常大量恒星，让天文学家得以有足够资料研究质量损失和恒星质量以及光度的关系.[26][27]。

SN 1987A 编辑

1987年时，大麦哲伦星系中的一颗恒星爆炸成为超新星，即为 SN 1987A。这个天文事件对天文学界造成极大影响。因为该超新星是距离地球最近的超新星之一，并且是望远镜发明以前开普勒超新星于1604年爆炸以后首颗肉眼可见的超新星。因为这颗超新星距离地球相当近，这个研究超新星的机会促使天文学家对它进行大量观测，并且 IUE 于该超新星被发现后14小时即对它进行首次观测[28]。

IUE 的资料确定该超新星的前身星是蓝超巨星，而当时的理论都明显认为是红超巨星[29]。哈勃空间望远镜拍摄前身星的影像发现它周围有一个星云，被认为是爆炸前质量流失形成的。IUE 对该超新星物质的研究发现了富含在质量高于太阳的恒星中常发生的核反应碳氮氧循环造成的氮[30]。天文学家因此认为该恒星原本是红超巨星，之后物质向太空中散失而形成蓝超巨星，最终爆炸。

星际物质 编辑

IUE 被广泛用于研究星际物质。星际物质的观测通常是借由观测高温恒星或类星体等背景天体的方式进行。星寄物质会吸收来自背景天体的光，因此可用以研究组成和移动速度。IUE 其中一个早期发现是银河系被一个巨大的气体晕环绕，也就是所谓的银冕[31]。被宇宙线和超新星加热的气体会扩散到银河系盘面上和下方数千光年远[32]。

IUE 的资料对于研究远方天体的光如何被视线方向上的尘埃影响是非常重要的。几乎所有的天文观测都会被星际物质的星际消光影响，因此大多数天文影像和光谱分析的第一个步骤就是消光。IUE 的资料显示在银河系内，星际物质造成的消光可以使用数个公式良好地描述。与波长相关的相对消光变化显示在各方向的消光成度变化不大，只和绝对吸收量变化有关。其他星系内的星际消光也可以用类似的定理描述[33][34][35]。

活动星系核 编辑

IUE 帮助天文学家对活动星系核（AGN）的了解大幅增进。在进行该任务以前只有第一个被发现的类星体 3C 273 是唯一在紫外线下被观测的 AGN。IUE 的资料让天文学家得知 AGN 在紫外线波段的状况。

一个特殊的目标天体是最明亮的赛弗特星系 NGC 4151。在 IUE 发射后不久就开始对它观测，一组欧洲天文学家聚集观测时间以反富观测该星系以量测该星系的紫外线辐射随时间改变状况。他们发现该星系在紫外线下的光度超过可见光和红外线。天文学家使用 IUE 对该星系的观测资料研究中心的黑洞，并推测该黑洞的质量在5000万到1亿倍太阳质量[36]。紫外线辐射的变化时间大约是数日，这显示发射辐射的范围只有数个光日[20]。

对类星体的观测是探测星系际空间的方式。在地球和被观测的类星体之间存在的中性氢气体云将会吸收部分来曼系的辐射。因为类星体和气体云与地球的距离不同，并且会因为哈勃定律而有不同的移动速度，造成类星体光谱在波长比莱曼α短的区域会产生称为“森林”的吸收线特征。在 IUE 发射以前，仅能在极远的类星体进行莱曼α森林的观测，这是因为红移造成谱线移动至可见光波段。IUE 让天文学家可以研究较近类星体的莱曼α森林光谱；天文学家也以这些资料确认在距离地球较近区域较少中性氢气体云。这暗示氢气体云随着时间逐渐形成星系[37]。

任务结束 编辑

IUE 原始设计是要使用三年，并预计最多能使用五年，但它的使用时间却远超过原始设计所要求的标准。虽然有时候会因为硬件故障造成观测困难，但仍以创新技术克服了这些问题。例如 IUE 搭载了六个陀螺仪使探测器保持固定姿势，而陀螺仪先后在1979、1982、1983、1985和1996年一个个故障，最后只剩下一个可正常使用的陀螺仪。望远镜要能在可控制状态下保持姿势必须要用两个陀螺仪配合望远镜的太阳感应器操作。即使第五个陀螺仪损坏仍可使用太阳感应器、微小误差感应器和剩下的一个陀螺仪保持望远镜三维空间下的稳定。而在整个任务期间望远镜仍保持完整功能[18]。

1995年时 NASA 因为预算考量，几乎使任务中止；不过操作的时段被重新分配。ESA 在之后一天可操作16小时，GSFC 则剩下8小时。ESA 的16小时时段被用来进行科学观测，GSFC 的8小时只用来进行系统维护[18]。1996年2月时因为长期预算删减，让 ESA 决定不再维持探测器运作。探测器于同年9月停止操作，9月30日所有剩余的火箭燃料联氨被排出，电池的电耗尽并被关闭，当日1844 UT，电波传输器关闭，探测器因此和地面失联[18]。

IUE 被关机后仍在地球同步轨道上环绕地球，并且因为它的位置远高于地球大气层顶，因此很可能永远留在该轨道。因为地球并非真正的球体，地球重力场异常会让它倾向于自原本约70°W的位置西偏到约110°W[18]。在任务执行期间这个偏移会以随时启动火箭的方式修正，任务结束后因为不再受到控制，将会向原处的西方偏移[38]。

数据库 编辑

IUE 的数据库是天文界最被频繁使用的数据库之一[39]。从任务一开始的资料就开始存入，并且每个人都可免费进入数据库并取得资料。但较早期的几年任务期间万维网并不普及，因此要取得这段时间资料的使用者必须亲自前往位于科罗拉多大学或戈达德太空飞行中心的区域资料分析中心[40]。

1987年时可以拨接到 GSFC 的电脑以取得资料的电子档案。总共23 Gb的资料量被存放于和电脑连线的大容量储存设备。当时的使用者拨打一次电话后，可在10到30秒内检索到一次观测[41]。

任务进行到第二个十年时，计划团队开始进行最终的归档计划。在整个任务期间，校准技术改进，并且最终的资料缩减程式也使校准技术较早期大幅进步。今日所有可取得的原始资料都使用了最终版本的资料缩减程式进行重新校准，建立了统一且高品质的数据库[42]。今日 IUE 的数据库由空间望远镜科学研究所管理，并可由万维网取得资料[43]。

对天文学的影响 编辑

IUE 的任务执行时间相当长，并且它几乎只提供紫外线观测资料，因此对天文界有相当大的影响。任务结束时它被认为是远比其他先前空间望远镜成功的任务，并且提供了更多资料[44]。在 IUE 任务结束后多年它的数据库仍是天文界最被频繁使用的数据库。目前在全世界已有超过250篇博士论文[39]、几乎4000篇已发表的同行评审论文是基于 IUE 的资料，其中包含了一些最常被引用的天文论文。基于 IUE 资料的最常被引用论文是关于星际红化性质的研究，至今已被引用超过4000次[45]。相较之下，哈勃空间望远镜至2013年已观测了23年，并且有几乎1万篇已发表的同行评审论文是基于哈勃的资料[46]。

参考资料 编辑

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