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スピッツァー宇宙望遠鏡（旧称：宇宙赤外線望遠鏡施設（SIRTF））は、2003年から2020年まで運用されていた赤外線宇宙望遠鏡です。 [ 5 ] [ 9 ]スピッツァーは、 IRAS（1983年）とISO （1995～1998年）に続く、赤外線天文学専用の3番目の宇宙望遠鏡でした。地球を追尾する軌道を使用した最初の宇宙機であり、後にケプラー惑星探査望遠鏡でも使用されました。
計画されたミッション期間は 2.5 年で、打ち上げ前には搭載されている液体ヘリウムの供給が尽きるまで 5 年かそれより少し長くなる可能性があると予想されていました。これは 2009 年 5 月 15 日に発生しました。[ 10 ]望遠鏡を動作に必要な極低温まで冷却するための液体ヘリウムがなくなったため、ほとんどの機器は使用できなくなりました。しかし、IRACカメラの 2 つの最短波長モジュールは、ヘリウムが枯渇する前と同じ感度で動作し続け、スピッツァー ウォーム ミッションで 2020 年初頭まで使用され続けました。[ 11 ] [ 12 ]
温暖ミッション中、IRACの2つの短波長チャンネルは28.7Kで動作し、この温度では通常のミッションと比較してほとんど劣化しないと予測された。スピッツァーのデータは、プライマリーフェーズと温暖フェーズの両方から赤外線科学アーカイブ（IRSA）に保管されている。
NASAの伝統に従い、この望遠鏡は2003年12月18日の運用実証の成功後に改名されました。科学者委員会によって命名されるほとんどの望遠鏡とは異なり、通常は著名な故天文学者にちなんで命名されますが、SIRTFの新しい名前は一般公開のコンテストで決定されました。このコンテストにより、望遠鏡は1940年代に宇宙望遠鏡の概念を推進した天文学者ライマン・スピッツァーにちなんで命名されました。 [ 13 ]スピッツァーは1946年にランド研究所のために、地球外観測所の利点と、それが利用可能な技術または今後登場する技術でどのように実現できるかを説明する報告書を作成しました。[ 14 ] [ 15 ]彼はロケット工学と天文学への先駆的な貢献、そして「宇宙望遠鏡計画から実現される利点と利益を明確にする彼のビジョンとリーダーシップ」で評価されています。[ 13 ]
7億7600万米ドル[ 16 ]のスピッツァー宇宙望遠鏡は、2003年8月25日午前5時35分39秒（UTC）に、ケープカナベラルSLC-17BからデルタII 7920Hロケットで打ち上げられた[ 3 ] 。地球中心軌道ではなく太陽中心軌道に投入され、地球の軌道から年間約0.1天文単位で遠ざかる軌道（ 「地球追従軌道」[ 1 ]）となった。
主鏡は直径85センチメートル（33インチ）、f /12で、ベリリウム製で、 5.5 K （-268 °C、-450 °F）まで冷却された。衛星には、3.6～160マイクロメートルの天体画像撮影と測光、5.2～38マイクロメートルの分光、55～95マイクロメートルの分光測光を実行できる3つの機器が搭載されている。[ 8 ]
1970年代初頭までに、天文学者たちは地球の大気による遮蔽効果を回避して赤外線望遠鏡を設置する可能性を検討し始めた。赤外線スペクトルの大部分は可視光の窓の外にあり、つまり大気によって強く吸収されるが、赤外線の窓だけは例外である。
1979年、米国科学アカデミーの国立研究評議会による報告書「1980年代の宇宙天文学および天体物理学戦略」では、シャトル搭載プラットフォームであるスペースラブのために「開発される2つの主要な天体物理学施設」の1つとして、シャトル赤外線望遠鏡施設（SIRTF）[ 17 ]が特定されました。この報告書は、今後打ち上げられるエクスプローラー衛星とシャトルミッションからの主要な成果を予測し、「極低温に冷却された赤外線望遠鏡の長期宇宙飛行の研究と開発」も支持しました[ 18 ]。
1983年1月に打ち上げられた赤外線天文衛星（IRAS）は、米国、オランダ、英国が共同開発し、初の遠赤外線による天体観測を実施した。この衛星の打ち上げは、赤外線検出器技術の急速な進歩を活用した後続の宇宙ミッションへの世界中の科学者の意欲を掻き立てた。
以前の赤外線観測は、宇宙望遠鏡と地上望遠鏡の両方で行われていました。地上望遠鏡の欠点は、赤外線波長または周波数では、地球の大気と望遠鏡自体が明るく放射（発光）してしまうことです。さらに、大気はほとんどの赤外線波長で不透明です。このため、長時間の露光が必要となり、微弱な天体を検出する能力が大幅に低下します。これは、電球で作られた望遠鏡で正午に可視光で星を観測しようとすることに例えることができます。以前の宇宙望遠鏡（赤外線天文衛星IRASや赤外線宇宙望遠鏡ISOなど）は1980年代と1990年代に打ち上げられ、それ以来、天文学技術は大きく進歩しました。
初期の構想のほとんどは、NASAスペースシャトルによる複数回の飛行を想定していた。このアプローチは、シャトル計画が最大30日間の週1回の飛行をサポートすることが期待されていた時代に開発された。1983年5月のNASA公募では、SIRTFは進化する科学機器ペイロードを備えたシャトル搭載ミッションとして説明された。数回の飛行が想定され、将来の宇宙プラットフォームまたは宇宙ステーションと連携して、より長期の運用モードに移行する可能性が高いとされた。SIRTFは、NASAエイムズが開発する汎用機器指向システムに搭載された望遠鏡と関連する焦点面機器で構成される、1メートル級の極低温冷却マルチユーザー施設となる予定だった。SIRTFはスペースシャトルで打ち上げられ、天体観測中はスペースラブペイロードとしてシャトルに取り付けられたままになり、その後、再飛行前に改修のために地球に返送される予定だった。最初の飛行は1990年頃に行われる予定で、その後の飛行は約1年後に始まると予想されていました。しかし、STS-51-Fに搭載されたスペースラブ2号の飛行では、オービターに伴う比較的「汚れた」真空による汚染のため、シャトルの環境は搭載赤外線望遠鏡には適していないことが示されました。1983年9月までに、NASAは「長期間の[自由飛行]SIRTFミッションの可能性」を検討していました。[ 19 ] [ 20 ]
スピッツァー宇宙望遠鏡は、当初の計画とは異なり、スペースシャトルで打ち上げられなかった唯一のグレート・オブザーバトリーである。しかし、1986年のチャレンジャー号事故の後、最終軌道に乗せるために必要となるはずだったシャトル・セントール上段は放棄された。このミッションは、主に予算上の制約から、1990年代に一連の再設計を受けた。その結果、はるかに小型ではあるが、依然として十分な能力を備えたミッションとなり、より小型のデルタII使い捨てロケットを使用できるようになった。[ 21 ]
この再設計で最も重要な進歩の 1 つは、地球追尾軌道でした。[ 1 ]地球近傍軌道で液体ヘリウム (LHe、T ≈ 4 K) の温度を必要とする極低温衛星は、通常、地球からの大きな熱負荷にさらされ、その結果、大量の LHe 冷却材が必要となり、それが総ペイロード質量の大部分を占め、ミッション寿命を制限する傾向があります。衛星を地球から遠く離れた太陽軌道に配置することで、革新的な受動冷却が可能になりました。太陽シールドは宇宙船の残りの部分を太陽の熱から保護し、宇宙船の反対側は受動的な熱放射を高めるために黒く塗装され、宇宙船バスは望遠鏡から熱的に隔離されました。これらの設計上の選択すべてが組み合わさって、必要なヘリウムの総質量を大幅に削減し、結果としてペイロード全体がより小さく軽くなり、大幅なコスト削減につながりましたが、ミラーの直径は当初の設計と同じでした。この軌道は望遠鏡の指向も簡素化しましたが、通信にはNASA 深宇宙ネットワークが必要でした。
主要な機器パッケージ（望遠鏡と極低温チャンバー）は、コロラド州ボルダーのBall Aerospace & Technologiesによって開発されました。個々の機器は、産業界、学術界、政府機関によって共同で開発されました。主な機関は、コーネル大学、アリゾナ大学、スミソニアン天体物理観測所、Ball Aerospace、ゴダード宇宙飛行センターです。短波長赤外線検出器は、カリフォルニア州ゴレタのRaytheonによって開発されました。Raytheonは、赤外線検出器の作成にアンチモン化インジウムとドープシリコン検出器を使用しました。これらの検出器は、1980年代のプロジェクト開始時に利用可能だったものよりも100倍感度が高くなっています。[ 22 ]遠赤外線検出器（70～160マイクロメートル）は、アリゾナ大学とローレンス・バークレー国立研究所がガリウムドープゲルマニウムを使用して共同で開発しました。宇宙船はロッキード・マーティンによって製造されました。このミッションは、カリフォルニア州パサデナにあるカリフォルニア工科大学キャンパス内のIPACに位置するジェット推進研究所とスピッツァー科学センター[ 23 ]によって運営および管理されました。
スピッツァー宇宙望遠鏡は2009年5月15日に液体ヘリウム冷却材が枯渇し、遠赤外線観測が停止した。IRAC装置のみが使用され、しかも2つの短波長帯（3.6μm と4.5μm ）のみで使用された。望遠鏡の平衡温度は当時約30K（-243℃、-406°F）であり、IRACは「スピッツァー温熱ミッション」としてこれらの波長で貴重な画像を生成し続けた。[ 24 ]
ミッションの終盤、2016年頃、スピッツァー宇宙望遠鏡の地球までの距離と軌道の形状により、アンテナを地球に向けるために宇宙船を極端な角度で傾ける必要があった。[ 25 ]この角度では太陽電池パネルが完全に照らされず、バッテリーの消耗により通信時間は2.5時間に制限された。[ 26 ]望遠鏡は2020年1月30日に運用を終了した。 [ 5 ] NASAがゴールドストーン深宇宙通信複合施設（GDSCC）から望遠鏡にシャットダウン信号を送り、望遠鏡をセーフモードにするよう指示した。[ 27 ] コマンドが成功したことを確認した後、スピッツァー計画マネージャーのジョセフ・ハントは正式にミッションの終了を宣言した。[ 28 ]
スピッツァーには3つの観測機器が搭載されています。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]
3つの観測装置すべてにおいて、センサーの冷却には液体ヘリウムが使用された。ヘリウムが枯渇した後は、IRACの短い波長2つのみが「温暖な観測ミッション」で使用された。
望遠鏡の使用時間の一部は参加機関や重要なプロジェクトのために確保されていましたが、世界中の天文学者も観測時間の提案を提出する機会がありました。打ち上げ前には、スピッツァー宇宙望遠鏡を用いた大規模で一貫性のある調査のための提案募集がありました。望遠鏡が早期に故障したり、極低温物質がすぐに枯渇したりした場合、これらのいわゆるレガシープロジェクトによって、ミッション開始後数ヶ月のうちに可能な限り最良の科学的成果を迅速に得ることができました。これらのレガシーチームが受け取った資金に関連する要件として、チームはコミュニティが利用できるよう、高レベルのデータ製品をスピッツァー科学センター（およびNASA/IPAC赤外線科学アーカイブ）に提供しなければなりませんでした。これもまた、ミッションの迅速な科学的成果を保証するものでした。国際的な科学コミュニティは、他者が利用できる製品を提供することの価値をすぐに認識し、その後の提案募集でレガシープロジェクトが明示的に募集されなくなった後も、チームはコミュニティに製品を提供し続けました。スピッツァー科学センターは、このコミュニティ主導の取り組みに応えて、後に「レガシー」プロジェクト（さらに後に「探査科学」プロジェクト）という名称を復活させました。[ 36 ]
重要なターゲットには、形成中の星（若い恒星状天体、YSO）、惑星、その他の銀河が含まれていました。画像は教育および報道目的で自由に利用できます。[ 37 ] [ 38 ]
スピッツァー宇宙望遠鏡が最初に公開した画像は、望遠鏡の性能をアピールするために作成されたもので、輝く星形成領域、渦巻く巨大な塵の銀河、惑星形成の残骸の円盤、そして遠方の宇宙に存在する有機物質などが映し出されていた。それ以来、 NASAやESAがハッブル宇宙望遠鏡の画像で行っているように、スピッツァーの性能は毎月のプレスリリースで繰り返し強調されている。
2005年にスピッツァー宇宙望遠鏡は、最も注目すべき観測の一つとして、系外惑星、すなわち「ホットジュピター」HD 209458 bとTrES-1bからの光を直接捉えた最初の望遠鏡の一つとなったが、その光を実際の画像に分解することはできなかった。[ 39 ]これは、太陽系外惑星からの光が直接検出された最初の例の一つであり、それ以前の観測は、惑星が周回している恒星の挙動から結論を導き出すことによって間接的に行われていた。また、同望遠鏡は2005年4月に、コーエン・クヒ・タウ/4の惑星円盤が、以前の理論よりもはるかに若く、質量も少ないことを発見し、惑星の形成方法についての新たな理解につながった。
2004年、スピッツァー宇宙望遠鏡が、これまで観測された中で最も若い星かもしれない、かすかに光る天体を発見したと報じられた。この望遠鏡は、L1014と呼ばれるガスと塵の核に向けられていた。L1014は、地上の天文台や、スピッツァーの前身である赤外線宇宙天文台（ISO ）からは、これまで全く暗く見えなかった。スピッツァーの高度な技術によって、L1014の中心部に明るい赤いホットスポットが発見された。
この天体を発見したテキサス大学オースティン校の科学者たちは、このホットスポットは初期の星形成の一例であり、若い星が周囲の星雲からガスと塵を集めていると考えている。当初、このホットスポットは地球から10倍遠い位置にあるものの、L1014と同じ視線上にある別のコアの微かな光ではないかと推測されていた。地上近赤外線観測所による追跡観測で、スピッツァー宇宙望遠鏡が発見した天体と同じ場所に、扇形の微かな光が検出された。この光は、より遠いコアから発せられた光としては弱すぎるため、この天体はL1014の内部にあるという結論に至った。（Young et al. , 2004）
2005年、ウィスコンシン大学マディソン校とホワイトウォーター校の天文学者たちは、スピッツァー宇宙望遠鏡による400時間の観測に基づき、天の川銀河の中心部には、これまで考えられていたよりもはるかに大きな棒状構造が存在することを突き止めた。
また2005年には、NASAゴダード宇宙飛行センターの天文学者アレクサンダー・カシュリンスキーとジョン・マザーが、スピッツァー宇宙望遠鏡の初期の画像の一つに、宇宙最初の星の光を捉えた可能性があると報告した。ドラコ座のクエーサーの画像は、望遠鏡の較正に役立てるためだけに撮影されたものだったが、既知の天体の光を取り除いた後に赤外線の光が含まれていることがわかった。カシュリンスキーとマザーは、この光の多数の塊は、ビッグバンから1億年後という早い時期に形成された星の光であり、宇宙の膨張によって赤方偏移したものであると確信している。[ 40 ]
2006年3月、天文学者たちは、天の川銀河の中心付近に、長さ80光年（25パーセク）の星雲、二重らせん星雲を発見したと報告した。その名の通り、二重らせん状にねじれている。これは、銀河中心にある超大質量ブラックホールの周囲を公転するガス円盤によって生成された巨大な磁場の証拠と考えられている。ブラックホールは星雲から300光年（92パーセク） 、地球からは25,000光年（7,700パーセク）の距離にある。この星雲はスピッツァー宇宙望遠鏡によって発見され、2006年3月16日に科学誌「ネイチャー」に掲載された。
2007年5月、天文学者たちはHD 189733 bの大気温度のマッピングに成功し、これにより、太陽系外惑星の初の地図を入手した。
2006年9月から、この望遠鏡はグールドベルトサーベイと呼ばれる一連の観測に参加し、複数の波長でグールドベルト領域を観測しました。スピッツァー宇宙望遠鏡による最初の観測は、2006年9月21日から27日にかけて行われました。これらの観測の結果、ハーバード大学とスミソニアン天体物理学センターのロバート・グターマス博士率いる天文学者チームは、へび座にある50個の若い星の集まりであるへび座南星団の発見を報告しました。
科学者たちは長年、高温で形成される微小なケイ酸塩結晶が、太陽系の外縁部の極寒の環境で生まれた氷の彗星にどのようにして入り込んだのか疑問に思ってきた。これらの結晶は、太陽系が形成されたガスと塵の混合物の一部である、結晶化していない非晶質のケイ酸塩粒子として始まったと考えられる。この謎は、ワイルド2彗星から粒子を採取したスターダストサンプルリターンミッションの結果によってさらに深まった。スターダスト粒子の多くは、1,000 Kを超える温度で形成されたことが判明した。
2009 年 5 月、ドイツ、ハンガリー、オランダのスピッツァー宇宙望遠鏡の研究者らは、星の爆発によって非晶質ケイ酸塩が結晶形に変化したと思われることを発見した。彼らは、2008 年4 月にスピッツァー宇宙望遠鏡が観測した恒星 EX Lupi の頻繁なフレアアップ、つまり爆発の際に、恒星 EX Lupi を取り巻く塵とガスの円盤上にフォルステライトケイ酸塩結晶の赤外線シグネチャを検出した。これらの結晶は、恒星の静穏期にスピッツァー宇宙望遠鏡が以前に観測した恒星の円盤には存在しなかった。これらの結晶は、EX Lupi から 0.5 AU 以内の塵の放射加熱によって形成されたと思われる。[ 41 ] [ 42 ]
2009年8月、望遠鏡は若い恒星の周りを公転する2つの成長途中の惑星間の高速衝突の証拠を発見した。[ 43 ]
2009年10月、天文学者のアン・J・バービスサー、マイケル・F・スクルツキー、ダグラス・P・ハミルトンは、望遠鏡で発見された土星の「フェーベ環」の発見を発表した。この環は、土星の半径の128倍から207倍に及ぶ巨大で希薄な円盤状の物質である。[ 44 ]
GLIMPSE （Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire）は、天の川銀河の内側領域を360°にわたって調査した一連のサーベイであり、銀河の大規模なマッピングを初めて提供しました。[ 45 ] [ 46 ]これは、赤外線アレイカメラを使用して4つの異なる波長で撮影された200万枚以上の スナップショットで構成されています。[ 47 ]これらの画像は、スピッツァー宇宙望遠鏡が打ち上げられた2003年から10年間にわたって撮影されました。[ 48 ]
GLIMPSEを補完する同様のサーベイであるMIPSGALは、MIPS機器の24μmおよび70μmチャネルを使用して銀河円盤の248°をカバーしています[ 49 ] 。 [ 50 ]
2008年6月3日、科学者たちはミズーリ州セントルイスで開催された第212回アメリカ天文学会で、80万枚以上のスナップショットをつなぎ合わせて作成した、天の川の最大かつ最も詳細な赤外線画像を公開した。[ 51 ] [ 52 ]この合成サーベイは現在、GLIMPSE/MIPSGAL Viewerで閲覧できる。[ 53 ]
2011 年 5 月に発表されたスピッツァー宇宙望遠鏡の観測によると、原始星HOPS-68 には、小さなフォルステライト結晶が雨のように降り注いでいる可能性がある。原始星の外側の崩壊する雲の中でフォルステライト結晶が発見されたことは驚きである。なぜなら、結晶は溶岩のような高温で形成されるにもかかわらず、温度が約-170 °C (103 K; -274 °F)の分子雲の中で発見されたからである。このことから、天文学者チームは、若い星からの双極性流出が、星の表面近くから低温の外側の雲にフォルステライト結晶を運んでいるのではないかと推測した。[ 54 ] [ 55 ]
2012年1月、EX Lupiのスピッツァー観測のさらなる分析は、フォルステライト結晶塵が原始星から平均38キロメートル毎秒（24マイル毎秒）という驚異的な速度で遠ざかっていると仮定すれば理解できると報告された。このような高速は、塵粒子が星の近くの双極性アウトフローによって放出された場合にのみ発生すると思われる。[ 56 ]このような観測は、1990年代初頭に開発された天体物理学理論と一致しており、双極性アウトフローは、原始星に隣接する内側の円盤から再処理された高温の物質を原始星からさらに遠い降着円盤の領域に継続的に放出することによって、原始星を取り囲むガスと塵の円盤を庭園化または変容させると示唆されている。[ 57 ]
2015年4月、スピッツァー宇宙望遠鏡と光学重力レンズ実験は、これまで発見された中で最も遠い惑星の1つ、地球から約13,000光年（4,000パーセク）離れたガス惑星を共同で発見したと報告された。[ 58 ]
2015 年 6 月と 7 月、スウィフト、スピッツァー、地上の光学重力レンズ実験の共同作業により、重力マイクロレンズ検出法を用いて褐色矮星OGLE-2015-BLG-1319が発見されました。これは、2 つの宇宙望遠鏡が同じマイクロレンズ現象を観測した初めての事例です。この方法は、2 つの宇宙機間の距離が非常に大きいため可能でした。スウィフトは地球低軌道にあり、スピッツァーは地球を追尾する太陽中心軌道で1 AU以上離れています。 [ 1 ]この距離により、褐色矮星の視点が大きく異なり、天体の物理的特性の一部に制約を設けることができました。[ 59 ]
2016年3月に報告されたように、スピッツァー宇宙望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡は、これまで知られている中で最も遠い銀河GN-z11を発見するために使用されました。この天体は134億年前の姿で観測されました 。[ 60 ] [ 25 ]
2016年10月1日、スピッツァー宇宙望遠鏡は、 Beyondという愛称で呼ばれる2年半の延長ミッションである観測サイクル13を開始しました。この延長ミッションの目標の1つは、より詳細な観測の候補を特定することにより、同じく赤外線望遠鏡であるジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の準備を支援することでした。[ 25 ]
ビヨンドミッションのもう1つの側面は、スピッツァー宇宙船が軌道を進むにつれて、その運用における技術的な課題でした。宇宙船が太陽から同じ軌道上で地球から遠ざかるにつれて、地上局と通信するためにアンテナをますます高い角度に向ける必要がありました。この角度の変化により、宇宙船はますます多くの太陽熱を受ける一方で、太陽電池パネルは太陽光をあまり受けなくなりました。[ 25 ]
スピッツァー宇宙望遠鏡は、ハードウェアを工夫して調整することで、系外惑星の研究にも活用されました。これには、加熱サイクルを変更して安定性を2倍にしたり、「ピークアップ」カメラの新しい用途を見つけたり、サブピクセルレベルでセンサーを分析したりすることが含まれます。ただし、「ウォーム」ミッションでは、宇宙船の受動冷却システムによりセンサーは29 K（-244 °C、-407 °F）に保たれていました。[ 61 ]スピッツァーは、これらの観測を行うためにトランジット測光法と重力マイクロレンズ法を使用しました。[ 25 ] NASAのショーン・キャリーによると、「スピッツァーが打ち上げられたとき、系外惑星の研究にスピッツァーを使用することは考えもしませんでした。...当時はばかげているように思えたでしょうが、今ではスピッツァーの重要な役割となっています。」[ 25 ]
スピッツァー宇宙望遠鏡で発見された系外惑星の例としては、 2015年に発見されたHD 219134 bがあり、これは地球の約1.5倍の大きさの岩石惑星で、恒星の周りを3日間で公転していることが示されました。[ 62 ]また、マイクロレンズ法で発見された、地球から約13,000光年（4,000 pc）離れた場所にある名前のない惑星もあります。[ 63 ]
2016年9月～10月、スピッツァー宇宙望遠鏡は、恒星TRAPPIST-1の周囲に知られている7つの惑星のうち5つを発見するために使用され、それらはすべて地球とほぼ同じ大きさで、岩石質である可能性が高い。[ 64 ] [ 65 ]発見された惑星のうち3つはハビタブルゾーンに位置しており、十分な条件が揃えば液体の水を維持できる可能性がある。[ 66 ]トランジット法を使用して、スピッツァーは7つの惑星の大きさを測定し、内側の6つの質量と密度を推定するのに役立った。さらなる観測は、いずれかの惑星に液体の水が存在するかどうかを判断するのに役立つだろう。[ 64 ]
ウィキメディア・コモンズにあるスピッツァー宇宙望遠鏡関連のメディア
