一、红外空间天文台的诞生背景
天文学家对宇宙的探索从未停止，然而地球大气对紫外、红外等波段的光吸收严重，极大地限制了地面观测。为了逃离地球大气的影响，天文学家们不断探索新的观测方式。
20 世纪 60 年代，天文学家开始使用气球挂载探测仪器进行红外观测，但观测时间短、稳定性差、不确定性高。1974 年，美国宇航局的柯伊伯机载天文台（KAO）飞上平流层进行红外观测。这架飞机搭载了口径 0.915 米的反射式望远镜，在巡航高度可以观测到 85% 的红外波长，连续观测时间可达 7.5 小时以上。柯伊伯机载天文台共进行了 1417 次飞行，获得了丰厚的观测成果，极大推动了红外天文学的发展，如拍摄了银河系中心和其他星系的远红外图像，研究了恒星形成区域中水和有机分子的分布，还发现了天王星环和冥王星存在大气层。
虽然机载天文台有一定优势，但仍有 15% 的红外光无法看到，且无法避免飞机抖动的影响。因此，发射红外波段的空间望远镜成为最佳选择。1983 年，美国、荷兰与英国联合发射了世界上第一款红外空间望远镜 —— 红外天文卫星（IRAS）。IRAS 在红外波段的观测取得了重大突破，它对 96% 的天空进行了扫描，发现了大约 35 万个红外发射源，还发现了 4 颗小行星和 6 颗彗星等新天体。然而，IRAS 也存在一些局限性，其液氦制冷剂在工作 9 个月零 26 天后耗尽，任务结束。在此背景下，红外空间天文台（ISO）应运而生。
二、红外空间天文台的基本情况
（一）合作与发射
1995 年 11 月，在欧洲航天局（ESA）的主导下，美国宇航局（NASA）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）展开紧密合作，成功将红外空间天文台（ISO）发射升空。这一重大举措标志着国际航天合作在红外天文学领域迈出了坚实的一步。三个机构充分发挥各自的优势，共同致力于探索宇宙的奥秘。
（二）参数与构造
ISO 重 2.5 吨，主镜直径达 0.6 米。它运行于近地点 1000 千米、远地点 70600 千米高的大椭圆轨道上。在这样的轨道上，其环绕周期为 24 小时，与地球自转速度一致，方便地面科研人员进行观测和操作，极大地提高了天文台的使用效率。
ISO 携带了四台先进的观测仪器，分别是红外线相机（ISOCAM）、偏光照相机（ISOPHOT）、短波分光仪（SWS）和长波分光仪（LWS）。红外线相机（ISOCAM）是高分辨率相机，可观测 2.5～17 微米的红外线波段；偏光照相机（ISOPHOT）能够观察来自单一天体的红外线辐射总量；短波分光仪（SWS）涵盖 2.4～45 微米波段的波长；长波分光仪（LWS）则涵盖 45～196.8 微米波段的波长。这些观测仪器的协同工作，使 ISO 的观测波长范围拓展到了 2.5 至 240 微米，为天文学家提供了更广阔的观测视野和更丰富的观测数据。
三、红外空间天文台的卓越性能
（一）波长范围拓展
ISO 的观测波长范围相比 IRAS 有了显著拓展，从原来的较窄范围扩大到了 2.5 至 240 微米。这一拓展为天文学家带来了更多的观测可能性和更深入的宇宙认知。在这个更广泛的波长范围内，ISO 能够捕捉到更多不同天体发出的红外信号，从而揭示出宇宙中更多的奥秘。
同时，ISO 的灵敏度也大幅提高。在 12 微米波段下，其灵敏度提高了 1000 倍。这意味着它能够探测到更微弱的红外信号，发现那些原本难以察觉的天体和现象。例如，它可以更清晰地观测到遥远星系中的恒星形成区域，以及垂死恒星周围的细微变化。
角分辨率的提高也是 ISO 的一大优势。角分辨率提高了 100 倍，使得 ISO 能够更精确地分辨天体的细节。这对于研究天体的结构、形态和演化过程至关重要。通过高角分辨率的观测，天文学家可以更好地了解恒星的形成机制、行星的大气组成以及星系的演化规律。
（二）液氦制冷剂优势
ISO 携带了 283 千克的液氦制冷剂，这一数量远远超过了 IRAS 所携带的 73 千克液氦。液氦作为一种超低温制冷剂，能够将 ISO 的望远镜冷却到极低的温度，从而减少卫星本身发出的红外线干扰，提高观测的准确性和灵敏度。
携带大量液氦制冷剂使得 ISO 的使用寿命延长接近两年半。相比之下，IRAS 由于液氦资源有限，在工作 9 个月零 26 天后液氦耗尽，任务结束。ISO 的较长使用寿命为天文学家提供了更多的观测时间和机会，使得他们能够对宇宙进行更深入、更持久的观测。
在这接近两年半的时间里，ISO 取得了丰硕的观测成果。它不仅在垂死的恒星周围发现了年轻的行星，拓展了理论认知，还通过携带的红外光谱仪确定了遥远天体的物质组成。例如，ISO 测量了太阳系内几颗行星大气的化学组成，首次在星际气体云中检测到氟化氢分子，还在猎户座大星云中探测到水分子的存在。这些发现为我们理解宇宙的化学演化和生命的起源提供了重要线索。
四、红外空间天文台的重大成果
（一）拓展理论认知
原本天文学家认为行星只能在年轻的恒星周围形成，但 ISO 在垂死的恒星周围发现了年轻的行星，这一重大发现彻底改变了人们对行星形成的认知。通过对这些年轻行星的观测和分析，天文学家们开始重新审视行星形成的机制和条件。
ISO 还成功测量了太阳系内几颗行星大气的化学组成。例如，利用其先进的红外光谱仪，确定了木星、土星等行星大气中的主要成分，为研究太阳系行星的形成和演化提供了重要数据。
此外，ISO 首次在星际气体云中检测到氟化氢分子，这一发现对于理解宇宙中的化学反应和物质循环具有重要意义。氟化氢分子的存在表明，在宇宙中存在着复杂的化学过程，这些过程可能与生命的起源和演化密切相关。同时，ISO 还在猎户座大星云中探测到水分子的存在。水是生命存在的关键要素之一，这一发现进一步激发了天文学家对宇宙中生命起源的探索热情。
（二）新发现与贡献
ISO 在仙女座大星云 M31 中有一系列惊人的发现。它观测到了一系列以前从未看见过的同心环，这些环是由很冷的 - 200℃气体和尘埃构成的，新恒星正在这些环里形成。利用其高灵敏度和高角分辨率的观测仪器，ISO 能够清晰地捕捉到这些微弱的红外信号，为研究星系的形成和演化提供了宝贵的线索。
在距离我们 5500 光年远的三叶星云 M20，ISO 发现它的大质量中心星正促进第二代恒星的产生。这一发现有助于我们更好地理解恒星的演化过程和星系中的恒星形成机制。
ISO 承担的深空巡天任务更是取得了丰硕的成果。它使用红外照相机和光度计，考察了 6 个天区，揭示了 1000 多个非常活跃的星系，在那里有大规模的恒星正在形成之中。其中许多星系已被光学望远镜观测到，但远不如在红外波段明亮，这意味着它们是多尘埃的，可能正在生成大量新恒星。天文学家通过对这些观测资料的分析，相信这些星系是在大约 100 亿年前诞生的，那时正是所谓的星系形成的黄金年代。
五、红外空间天文台的历史意义
红外空间天文台（ISO）的成功发射和运行，对红外天文学的发展产生了深远的推动作用，为后续空间望远镜的发展提供了宝贵的经验和坚实的基础。
从对红外天文学的推动来看，ISO 极大地拓展了人类对宇宙的认知边界。它的观测波长范围从 2.5 至 240 微米，让天文学家能够捕捉到更多不同天体发出的红外信号，为研究宇宙中的各种现象提供了更丰富的数据。例如，ISO 在垂死的恒星周围发现年轻行星、在仙女座大星云 M31 中观测到同心环以及在三叶星云 M20 发现大质量中心星促进第二代恒星产生等成果，为研究星系的形成和演化、恒星的诞生和死亡等重要课题提供了关键线索。这些发现不仅丰富了红外天文学的研究内容，也激发了更多天文学家对红外波段的研究热情。
ISO 的成功还为后续空间望远镜的发展提供了丰富的经验。在技术方面，ISO 携带的四台先进观测仪器，如红外线相机（ISOCAM）、偏光照相机（ISOPHOT）、短波分光仪（SWS）和长波分光仪（LWS），为后续望远镜的仪器设计提供了参考。其在提高灵敏度和角分辨率方面的技术突破，也为未来空间望远镜的性能提升指明了方向。在轨道设计上，ISO 运行于近地点 1000 千米、远地点 70600 千米高的大椭圆轨道，环绕周期为 24 小时，与地球自转速度一致，提高了天文台的使用效率。这一轨道设计经验也为后续空间望远镜的轨道选择提供了借鉴。
此外，ISO 携带的大量液氦制冷剂，延长了其使用寿命，为后续空间望远镜的能源供应和冷却系统设计提供了思路。其在观测过程中取得的丰硕成果，也证明了红外空间望远镜在探索宇宙中的重要性，为后续空间望远镜的发展提供了强大的动力和信心。
总之，红外空间天文台（ISO）作为红外天文学领域的重要里程碑，对推动红外天文学的发展、为后续空间望远镜的发展提供经验和基础起到了不可磨灭的作用。它的贡献将永远铭刻在人类探索宇宙的历史长河中。
