紅外望遠鏡對現代觀測天文學的重要性
木星的紅外圖像熱輻射顯示為橙色，而極光的輻射顯示為紫色，大紅斑位於圖像中心
現在紅外天文學觀測有很多的轉變，紅外天文學已經成為世界所有天文臺的主流功能，幾乎所有的光學望遠鏡都會優化其紅外性能。有很多太空望遠鏡甚至純粹就是紅外望遠鏡，根本沒有光學系統。對於天文學家來說，紅外望遠鏡具有很大的優勢。那麼什麼是紅外望遠鏡，或者說什麼是紅外呢？
201年前，一位英國天文學家William Herschel發現了紅外光，剛開始發現紅外光的時候人們利用的很少。進入現代宇宙觀測時期，天文學家們逐漸意識到他們對宇宙的觀察充其量只是局部的，而且觀察的方式有點片面。觀察宇宙不僅是看得更遠的問題，而是需要使用不同的“眼睛”，也就是需要能夠看到其他種類的光或輻射的眼睛。
兩張星雲圖像為我們展示了哈勃太空望遠鏡在可見光和紅外光下的觀測結果，光學望遠鏡無法看到星雲結構背後的情況
宇宙中所有溫度高於絕對零度的天體都會發出某種形式的電磁輻射。為了研究宇宙，科學家使用了幾種不同類型的望遠鏡來檢測這些不同類型的輻射。比如伽馬射線望遠鏡，X射線，紫外線，常規可見光（光學）以及紅外望遠鏡。
紅外望遠鏡相比於光學望遠鏡的優勢
紅外光是電磁輻射，其波長比可見光長，但比無線電波短。不同波長的光揭示了不同的自然現象，而紅外光則另有一個重要的故事要講，那就是它的優勢。光學望遠鏡視角下無法看到被星塵籠罩的恆星，而在近紅外光下工作的太空望遠鏡卻能夠檢測其內部結構。
斯皮策太空望遠鏡渲染圖
另外光學望遠鏡看不到的相對較冷的物體在紅外視角中是可見的。星際氣體，其他恆星周圍的行星和原始星盤，小行星，褐矮星（老年恆星）和出生的恆星大多都是溫度較低的天體，無法在可見波長下發光，但在紅外光中這些天體是很顯眼的。
持續不斷的宇宙膨脹會導致紅移現象，這會導致來自恆星等天體的輻射在離地球越來越遠的地方產生逐漸變長的波長。這些波長到達地球時，來自遙遠物體的許多可見光已經成為了紅外光，這些紅外光可以被紅外望遠鏡檢測到。當紅外望遠鏡觀察來自非常遙遠的天體紅外源時，這種輻射已經花了很長時間才到達地球，所以紅外望遠鏡可以洞悉宇宙史的重要時期。
光線無時無刻不在遠離觀察者，宇宙中最遙遠的天體移動時就會發生“紅移”現象，目前最遙遠的星系大約有七個紅移
相較於地面紅外觀測站，紅外太空望遠鏡更能展示其作用
地面光學或紅外觀測站給予我們很多宇宙知識的新見解，但是紅外望遠鏡其實在太空更能展示它的作用，那麼紅外望遠鏡為什麼進入太空觀察效果更好呢？首先，地球大氣對於紅外望遠鏡是不友好的，諸如水，二氧化碳和臭氧之類的分子有很強的飽和吸收作用，會影響到紅外望遠鏡的成像質量。
太陽日冕物質拋射CME的複合圖，這些粒子會影響紅外望遠鏡的成像
其次是一些高能粒子的影響，當一些粒子超過2.2微米時，室溫及更高溫度下的任何物體都會發出大量的黑體輻射。另外對於紅外天文學家來說，就像望遠鏡被照亮了一樣，天空本身也會發光。不僅光子氾濫會產生高背景限制的噪底，而且光子的數量也非常龐大。
紅外太空望遠鏡是未來太空觀測的主流嗎？
那麼擁有這些優勢的紅外望遠鏡是不是比其他類型望遠鏡更復雜或者說造價更高呢？其實紅外望遠鏡使用的組件與可見光望遠鏡基本相同，並且遵循相同的原理。原理就是望遠鏡透鏡和主鏡的多種組合將天體輻射聚集並聚焦到一個或多個檢測器上，這些數據由地面望遠鏡的計算機轉換成有用的信息，再由望遠鏡計算機整理成數據，太空紅外望遠鏡還需要經過通訊系統傳回地球接收站。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡近紅外攝像機（NIRCam）檢測器，已拆除光學擋板。紫色汞碲化鎘薄膜在未來觀測中會負責收集光
紅外望遠鏡的檢測器通常是專用固態數字設備所集成的，最常用的材料是超導合金HgCdTe碲化汞鎘。地面望遠鏡為了避免周圍熱源造成的汙染，檢測器必須使用諸如液氮或氦製冷劑冷卻至接近絕對零度的溫度。而太空望遠鏡可以在遠離地球的軌道上運行，所以冷卻系統或者冷卻測試就不是那麼重要。說到太空望遠鏡，斯皮策太空望遠鏡2003年發射升空，是目前來說最大的太空紅外望遠鏡。
歷史與未來的兩大紅外太空望遠鏡
在過去的16年中，美國宇航局的斯皮策太空望遠鏡一直是瞭解宇宙的重要窗口，但是在本週三，斯皮策已經退役。其實現在關閉斯皮策太空望遠鏡也是為推遲了好幾次的詹姆斯韋伯等新項目奠定基礎。
詹姆斯韋伯太空望遠鏡
斯皮策太空望遠鏡的未來繼任者是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，詹姆斯韋伯太空望遠鏡將在明年3月發射，該望遠鏡具有更先進的紅外成像功能，是哈勃太空望遠鏡成像能力的百倍以上。詹姆斯韋伯的主鏡比斯皮策的主鏡大了50倍，可以觀察到更暗的物體。
斯皮策太空望遠鏡與詹姆斯韋伯太空望遠鏡
甚至可以這樣說，啟動詹姆斯韋伯太空望遠鏡對於現代天文觀測來說一直是一個挑戰。經過數年的延誤和多次預算超支之後，美國宇航局希望在2021年3月部署詹姆斯韋伯太空望遠鏡。詹姆斯韋伯已經花費了約100億美元，遠遠超過了斯皮策任務的總成本13.6億美元。
斯皮策在2003年剛剛發射運行的時候科學家就很驚喜了，因為天文學家可以用紅外視角觀察部分宇宙。斯皮策可以觀察星系的結構，還可以通過觀察各種宇宙物體來擴展其最初的任務，例如地球大小的TRAPPIST-1岩石系外行星，土星最外圍幾乎看不見的環結構以及太陽內部成千上萬的彗星。
這三張圖片是在紅外光下看到天空。前兩個是在60、100和240微米波長下拍攝的合成圖像。60微米的亮度以藍色顯示，100微米的亮度以綠色顯示，而240微米的亮度以紅色顯示。
人眼可以自然地感覺到星光，但有時我們需要專門的工具，可以通過其他光譜觀察我們的世界，在這個時候我們就會發現學到的知識遠不止於眼睛觀察。就像剛才說到的，我們可以通過不同的望遠鏡觀察宇宙，宇宙也不僅僅是可見光構成的天體那麼簡單，比如暗物質和暗能量如何影響星系結構，宇宙歷史中第一批星系是如何形成的都可以用紅外望遠鏡成像研究。
斯皮策的前項目經理Suzanne Dodd在1月23日有關望遠鏡的座談會上說：“斯皮策發現了很多宇宙細節，這是近代天文學爆發式的發現。它的大部分工作是觀察星系結構和星系塵埃，這些塵埃會聚攏嬰兒時期的恆星，為恆星和行星提供構建基塊，並在整個宇宙星系中創造出無數無形的恆星溫床。”
不同的望遠鏡可以提供不同的視角，上圖為大家展示了斯皮策紅外，哈勃光學，錢德拉X射線太空望遠鏡的視圖
（斯皮策）紅外太空望遠鏡的結構與工作環境
接下來我們以斯皮策太空望遠鏡為例，看一看紅外太空望遠鏡的工作原理和科學載荷。對於紅外望遠鏡最重要的就是讓內部檢測器保持穩定的溫度，斯皮策太空望遠鏡，包括未來的詹姆斯韋伯太空望遠鏡需要在零下267攝氏度的溫度下運行。
不過在2009年，斯皮策用盡了氦氣冷卻劑，內部的冷卻系統已經停止了，但由於它與地球的距離越來越大，避免了升溫情況。沒有冷卻系統的斯皮策任務也已經持續了十多年，所以未來天文學家需要將紅外望遠鏡佈置在儘量遠的軌道上，以減少不必要科學載荷的重量。
斯皮策太空望遠鏡在發射前的照片
除了冷卻系統之外，斯皮策還有三項科學儀器，分別是紅外陣列攝像機IRAC，多波段成像光度計MIPS和紅外光譜儀IRS。IRAC是一種通用成像相機，可用於多種科學程序。與具有單個探測器陣列和對各種不同波長的光敏感的普通攝像機不同，IRAC是四通道攝像機，這意味著它具有四個不同的探測器，每個探測器測量一個特定波長的光線分別是3.6微米，4.5微米，5.8微米和8.0微米波長。其實這三項科學儀器可以說是紅外太空望遠鏡的標配，詹姆斯韋伯太空望遠鏡也擁有同樣的科學載荷。
MIPS也是一種成像相機，但是它可以檢測遠紅外光（24-160微米之間）。這些波長是大多數星系塵埃中對應的波長，因此MIPS對於研究星系和恆星形成區是至關重要的。IRS是一個光譜儀，它不像其他兩個儀器一樣是成像相機。觀察的角度不同，但是與稜鏡分解光的方式類似，光譜儀將來自遠處物體的入射紅外光分解為光譜。宇宙中的每個化學元素在光譜中都有自己的光信號，這就像我們的指紋。
未來的紅外太空望遠鏡觀測
通過研究來自遙遠天體的光譜，天文學家可以分辨出該物體是由什麼元素和分子組成的，這就是為什麼相隔數十億光年天文學家還可以知道其構成的原因。光譜測定法在現代天文學中發揮著重要的作用，從太空望遠鏡到所有火星探測器，都有相關科學載荷。
在未來，紅外太空望遠鏡的觀察數據將越來越重要。現在天文學家尚不清楚宇宙如何從氫和氦這樣簡單的狀態轉變為我們今天看到的宇宙，還有很多問題天文學家無法解釋，但是未來的太空望遠鏡將幫助我們看到遙遠的太空和從未見過的時代，並幫助我們回答這些重要問題。
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