一、紅外太空望遠鏡的誕生背景
天文學家對宇宙的探索從未停止，然而地球大氣對紫外、紅外等波段的光吸收嚴重，極大地限制了地面觀測。為了逃離地球大氣的影響，天文學家們不斷探索新的觀測方式。
20 世紀 60 年代，天文學家開始使用氣球掛載探測儀器進行紅外觀測，但觀測時間短、穩定性差、不確定性高。1974 年，美國太空總署的凱伯機載天文台（KAO）飛上平流層進行紅外觀測。這架飛機搭載了口徑 0.915 米的反射式望遠鏡，在巡航高度可以觀測到 85% 的紅外波長，連續觀測時間可達 7.5 小時以上。凱伯機載天文台共進行了 1417 次飛行，獲得了豐厚的觀測成果，極大推動了紅外天文學的發展，如拍攝了銀河系中心和其他星系的遠紅外影像，研究了恒星形成區域中水和有機分子的分布，還發現了天王星環和冥王星存在大氣層。
雖然機載天文台有一定優勢，但仍有 15% 的紅外光無法看到，且無法避免飛機抖動的影響。因此，發射紅外波段的空間望遠鏡成為最佳選擇。1983 年，美國、荷蘭與英國聯合發射了世界上第一款紅外空間望遠鏡 —— 紅外天文衛星（IRAS）。IRAS 在紅外波段的觀測取得了重大突破，它對 96% 的天空進行了掃描，發現了大約 35 萬個紅外發射源，還發現了 4 顆小行星和 6 顆彗星等新天體。然而，IRAS 也存在一些局限性，其液氦制冷劑在工作 9 個月零 26 天後耗盡，任務結束。在此背景下，紅外太空望遠鏡（ISO）應運而生。
二、紅外太空望遠鏡的基本情況
（一）合作與發射
1995 年 11 月，在歐洲航天局（ESA）的主導下，美國太空總署（NASA）和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）展開緊密合作，成功將紅外太空望遠鏡（ISO）發射升空。這一重大舉措標誌著國際航天合作在紅外天文學領域邁出了堅實的一步。三個機構充分發揮各自的優勢，共同致力於探索宇宙的奧秘。
（二）參數與構造
ISO 重 2.5 噸，主鏡直徑達 0.6 米。它執行於近地點 1000 千米、遠地點 70600 千米高的大橢圓軌域上。在這樣的軌域上，其環繞周期為 24 小時，與地球自轉速度一致，方便地面科研人員進行觀測和操作，極大地提高了天文台的使用效率。
ISO 攜帶了四台先進的觀測儀器，分別是紅外線相機（ISOCAM）、偏光照相機（ISOPHOT）、短波分光儀（SWS）和長波分光儀（LWS）。紅外線相機（ISOCAM）是高分辨率相機，可觀測 2.5～17 微米的紅外線波段；偏光照相機（ISOPHOT）能夠觀察來自單一天體的紅外線輻射總量；短波分光儀（SWS）涵蓋 2.4～45 微米波段的波長；長波分光儀（LWS）則涵蓋 45～196.8 微米波段的波長。這些觀測儀器的協同工作，使 ISO 的觀測波長範圍拓展到了 2.5 至 240 微米，為天文學家提供了更廣闊的觀測視野和更豐富的觀測數據。
三、紅外太空望遠鏡的卓越效能
（一）波長範圍拓展
ISO 的觀測波長範圍相比 IRAS 有了顯著拓展，從原來的較窄範圍擴大到了 2.5 至 240 微米。這一拓展為天文學家帶來了更多的觀測可能性和更深入的宇宙認知。在這個更廣泛的波長範圍內，ISO 能夠捕捉到更多不同天體發出的紅外訊號，從而揭示出宇宙中更多的奧秘。
同時，ISO 的靈敏度也大幅提高。在 12 微米波段下，其靈敏度提高了 1000 倍。這意味著它能夠探測到更微弱的紅外訊號，發現那些原本難以察覺的天體和現象。例如，它可以更清晰地觀測到遙遠星系中的恒星形成區域，以及垂死恒星周圍的細微變化。
角分辨率的提高也是 ISO 的一大優勢。角分辨率提高了 100 倍，使得 ISO 能夠更精確地分辨天體的細節。這對於研究天體的結構、形態和演化過程至關重要。透過高角分辨率的觀測，天文學家可以更好地了解恒星的形成機制、行星的大氣組成以及星系的演化規律。
（二）液氦制冷劑優勢
ISO 攜帶了 283 千克的液氦制冷劑，這一數量遠遠超過了 IRAS 所攜帶的 73 千克液氦。液氦作為一種超低溫制冷劑，能夠將 ISO 的望遠鏡冷卻到極低的溫度，從而減少衛星本身發出的紅外線幹擾，提高觀測的準確性和靈敏度。
攜帶大量液氦制冷劑使得 ISO 的使用壽命延長接近兩年半。相比之下，IRAS 由於液氦資源有限，在工作 9 個月零 26 天後液氦耗盡，任務結束。ISO 的較長使用壽命為天文學家提供了更多的觀測時間和機會，使得他們能夠對宇宙進行更深入、更持久的觀測。
在這接近兩年半的時間裏，ISO 取得了豐碩的觀測成果。它不僅在垂死的恒星周圍發現了年輕的行星，拓展了理論認知，還透過攜帶的紅外光譜儀確定了遙遠天體的物質組成。例如，ISO 測量了太陽系內幾顆行星大氣的化學組成，首次在星際氣體雲中檢測到氟化氫分子，還在獵戶座大星雲中探測到水分子的存在。這些發現為我們理解宇宙的化學演化和生命的起源提供了重要線索。
四、紅外太空望遠鏡的重大成果
（一）拓展理論認知
原本天文學家認為行星只能在年輕的恒星周圍形成，但 ISO 在垂死的恒星周圍發現了年輕的行星，這一重大發現徹底改變了人們對行星形成的認知。透過對這些年輕行星的觀測和分析，天文學家們開始重新審視行星形成的機制和條件。
ISO 還成功測量了太陽系內幾顆行星大氣的化學組成。例如，利用其先進的紅外光譜儀，確定了木星、土星等行星大氣中的主要成分，為研究太陽系行星的形成和演化提供了重要數據。
此外，ISO 首次在星際氣體雲中檢測到氟化氫分子，這一發現對於理解宇宙中的化學反應和物質迴圈具有重要意義。氟化氫分子的存在表明，在宇宙中存在著復雜的化學過程，這些過程可能與生命的起源和演化密切相關。同時，ISO 還在獵戶座大星雲中探測到水分子的存在。水是生命存在的關鍵要素之一，這一發現進一步激發了天文學家對宇宙中生命起源的探索熱情。
（二）新發現與貢獻
ISO 在仙女座大星雲 M31 中有一系列驚人的發現。它觀測到了一系列以前從未看見過的同心環，這些環是由很冷的 - 200℃氣體和塵埃構成的，新恒星正在這些環裏形成。利用其高靈敏度和高角分辨率的觀測儀器，ISO 能夠清晰地捕捉到這些微弱的紅外訊號，為研究星系的形成和演化提供了寶貴的線索。
在距離我們 5500 光年遠的三葉星雲 M20，ISO 發現它的大質素中心星正促進第二代恒星的產生。這一發現有助於我們更好地理解恒星的演化過程和星系中的恒星形成機制。
ISO 承擔的深空巡天任務更是取得了豐碩的成果。它使用紅外照相機和光度計，考察了 6 個天區，揭示了 1000 多個非常活躍的星系，在那裏有大規模的恒星正在形成之中。其中許多星系已被光學望遠鏡觀測到，但遠不如在紅外波段明亮，這意味著它們是多塵埃的，可能正在生成大量新恒星。天文學家透過對這些觀測資料的分析，相信這些星系是在大約 100 億年前誕生的，那時正是所謂的星系形成的黃金年代。
五、紅外太空望遠鏡的歷史意義
紅外太空望遠鏡（ISO）的成功發射和執行，對紅外天文學的發展產生了深遠的推動作用，為後續空間望遠鏡的發展提供了寶貴的經驗和堅實的基礎。
從對紅外天文學的推動來看，ISO 極大地拓展了人類對宇宙的認知邊界。它的觀測波長範圍從 2.5 至 240 微米，讓天文學家能夠捕捉到更多不同天體發出的紅外訊號，為研究宇宙中的各種現象提供了更豐富的數據。例如，ISO 在垂死的恒星周圍發現年輕行星、在仙女座大星雲 M31 中觀測到同心環以及在三葉星雲 M20 發現大質素中心星促進第二代恒星產生等成果，為研究星系的形成和演化、恒星的誕生和死亡等重要課題提供了關鍵線索。這些發現不僅豐富了紅外天文學的研究內容，也激發了更多天文學家對紅外波段的研究熱情。
ISO 的成功還為後續空間望遠鏡的發展提供了豐富的經驗。在技術方面，ISO 攜帶的四台先進觀測儀器，如紅外線相機（ISOCAM）、偏光照相機（ISOPHOT）、短波分光儀（SWS）和長波分光儀（LWS），為後續望遠鏡的儀器設計提供了參考。其在提高靈敏度和角分辨率方面的技術突破，也為未來空間望遠鏡的效能提升指明了方向。在軌域設計上，ISO 執行於近地點 1000 千米、遠地點 70600 千米高的大橢圓軌域，環繞周期為 24 小時，與地球自轉速度一致，提高了天文台的使用效率。這一軌域設計經驗也為後續空間望遠鏡的軌域選擇提供了借鑒。
此外，ISO 攜帶的大量液氦制冷劑，延長了其使用壽命，為後續空間望遠鏡的能源供應和冷卻系統設計提供了思路。其在觀測過程中取得的豐碩成果，也證明了紅外空間望遠鏡在探索宇宙中的重要性，為後續空間望遠鏡的發展提供了強大的動力和信心。
總之，紅外太空望遠鏡（ISO）作為紅外天文學領域的重要裏程碑，對推動紅外天文學的發展、為後續空間望遠鏡的發展提供經驗和基礎起到了不可磨滅的作用。它的貢獻將永遠銘刻在人類探索宇宙的歷史長河中。
