[论文解读] Herschel Space Observatory - An ESA facility for far-infrared and submillimetre astronomy

G. L. Pilbratt, J. R. Riedinger+9 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 12被引用 1,884

一句话总结

赫歇尔空间天文台，由欧洲航天局主导、美国国家航空航天局深度参与的太空任务，是一台于2009年发射的远红外与亚毫米波空间望远镜，配备3.5米被动式望远镜及三台科学仪器——PACS、SPIRE和HIFI，实现了对恒星形成、星际介质物理及宇宙演化前所未有的观测。该任务已实现全面运行，性能达到发射前预测水平，包括2″指向精度和3.5至4年的标准寿命，向全球天文界分配了超过20,000小时的保障观测时间与开放观测时间。

ABSTRACT

Herschel was launched on 14 May 2009, and is now an operational ESA space observatory offering unprecedented observational capabilities in the far-infrared and submillimetre spectral range 55-671 μm. Herschel carries a 3.5 metre diameter passively cooled Cassegrain telescope, which is the largest of its kind and utilises a novel silicon carbide technology. The science payload comprises three instruments: two direct detection cameras/medium resolution spectrometers, PACS and SPIRE, and a very high-resolution heterodyne spectrometer, HIFI, whose focal plane units are housed inside a superfluid helium cryostat. Herschel is an observatory facility operated in partnership among ESA, the instrument consortia, and NASA. The mission lifetime is determined by the cryostat hold time. Nominally approximately 20,000 hours will be available for astronomy, 32% is guaranteed time and the remainder is open to the worldwide general astronomical community through a standard competitive proposal procedure.

研究动机与目标

• 提供赫歇尔空间天文台作为远红外与亚毫米波天文领域全功能设施的全面概述。
• 详细说明任务设计，包括3.5米被动式望远镜、低温仪器以及环绕日-地拉格朗日L2点的轨道。
• 记录天文台在轨性能及光学系统、指向系统和仪器系统的验证结果。
• 概述观测策略，包括通过竞争性提案分配的保障时间（32%）与开放时间（68%）。
• 展示任务的科学依据，重点聚焦于宇宙时空中恒星形成、星际介质过程及宇宙演化的研究。

提出的方法

• 该天文台采用3.5米直径的卡塞格林式望远镜，通过碳化硅结构与超流氦贮箱实现被动冷却至160 K。
• 使用三台仪器：PACS与SPIRE为直接探测相机/中分辨率光谱仪，HIFI为高分辨率外差光谱仪。
• 航天器在日-地L2点附近运行大振幅准晕形轨道，最大限度减少热辐射与空间辐射干扰。
• 观测采用扫描地图、指向观测与机会目标模式相结合的方式，通过星跟踪器实时监测指向精度。
• 任务通过竞争性提案系统分配开放时间观测，数据由赫歇尔科学地面段使用HIPE与HCSS等工具处理。
• 在轨验证包括对指向性能、仪器响应及贮箱液氦消耗率的检查，以预测任务寿命。

实验结果

研究问题

• RQ1 赫歇尔空间天文台的望远镜与仪器设计如何实现远红外与亚毫米波波段的高灵敏度观测？
• RQ2 天文台指向系统的在轨性能如何？与发射前预测相比表现如何？
• RQ3 任务寿命如何确定？基于贮箱液氦消耗率的预测持续时间是多少？
• RQ4 观测时间的分配策略是什么？开放时间提案流程如何组织？
• RQ5 赫歇尔在研究恒星形成、星际介质过程及宇宙演化方面具备哪些科学能力？

主要发现

• 赫歇尔空间天文台实现了约2″的指向精度，与发射前预测一致，仅在太阳方位角从120°缩小至110°时受到轻微限制。
• 2009年11月25日首次直接测量贮箱剩余氦量，预测任务寿命在3.5至略高于4年之间。
• 2010年1月10日，通过冗余热电子系统成功重新激活HIFI，经联合故障调查后恢复科学运行。
• 在任务早期阶段，天文台的光学系统、仪器系统与指向系统均按预期运行，验证了任务运行概念。
• 可供观测时间超过20,000小时，其中32%为保障时间，其余通过竞争性提案向全球天文界开放。
• 2010年5月举行的任务首批评审会共呈现约200场科学报告，约150篇论文最终被接受，表明极高的科学产出水平。