NASA的EXCITE任务为科学气球飞行做好准备

科学家和工程师已准备好将一项名为EXCITE(系外行星气候红外望远镜)的红外任务飞到太空边缘。EXCITE旨在通过绕极地长期科学气球飞行研究系外行星或太阳系外世界的大气。但首先，它必须在NASA2024年秋季从新墨西哥州萨姆纳堡出发的科学气球飞行活动中完成试飞。

美国宇航局戈达德太空飞行中心的这项任务的首席研究员彼得·纳格勒说：“EXCITE可以在行星绕恒星运行的整个过程中收集数据，从而为我们提供行星大气和温度的三维图像。”

“以前只进行过少数此类测量。它们需要非常稳定的望远镜，能够连续几天跟踪一颗行星。”

EXCITE将研究热木星，这是一种巨大的气态系外行星，每隔一到两天完成一次公转，温度高达数千度。这些行星被潮汐锁定，这意味着同一侧总是朝向恒星。

望远镜将观察整个行星的热量分布情况，从面向恒星的灼热半球到相对较冷的背侧。

它还将确定行星大气中的分子如何在整个轨道上吸收和发射光，这一过程称为相位分辨光谱。这些数据不仅可以揭示化合物的存在——如水、甲烷、二氧化碳等——还可以揭示行星绕恒星运行时它们如何在全球范围内循环。

美国国家航空航天局的哈勃望远镜、詹姆斯·韦伯望远镜以及已退役的斯皮策太空望远镜共收集了一些此类测量数据。

例如，2014年，哈勃和斯皮策望远镜观测到了一颗名为WASP-43b的系外行星。为了在一天22小时内收集数据，科学家需要哈勃望远镜60小时的观测时间和斯皮策望远镜46小时的观测时间。在太空天文台进行此类资源密集型研究非常困难。时间是一种有限的资源，研究必须与数百个其他请求争夺时间。

EXCITE团队成员、马里兰大学巴尔的摩分校和美国宇航局戈达德中心的研究科学家凯尔·赫尔森(KyleHelson)说：“在首次科学飞行中，EXCITE计划从位于南极洲的哥伦比亚科学气球设施出发，飞行十几天。”

“而在极地，我们研究的恒星不会落下，所以我们的观测不会受到干扰。我们希望这次任务能有效地使科学界可用的相位分辨光谱数量增加一倍。”

EXCITE将通过一个充满氦气的科学气球飞到大约132,000英尺(40公里)的高空。这将使它超过地球大气层的99.5%。在这个高度，望远镜将能够几乎不受干扰地观察多个红外波长。

“望远镜收集红外光并将其发射到光谱仪，在那里，光会经过一个小障碍训练场，”EXCITE团队成员、坦佩亚利桑那州立大学的研究生助理LeeBernard说道。

“光线在到达探测器之前会从镜子和棱镜上反射回来。一切都必须非常精确地对齐——只要偏离中心几毫米，光线就无法到达。”

光谱仪位于望远镜后面一个叫做低温恒温器的容器内。低温恒温器将光谱仪的探测器(曾是韦伯NIRSpec(近红外光谱仪)的飞行候选探测器)冷却到零下350华氏度(零下210摄氏度)左右，以便测量红外光中微小的强度变化。

整个望远镜和低温恒温器组件安装在一个划艇形底座上，可以沿三个轴旋转，以保持指向稳定，精度可达50毫角秒。这就像在65英里外注视一枚美国25美分硬币一样。

EXCITE团队成员、罗德岛州普罗维登斯布朗大学研究生助理TimRehm表示：“多家不同的机构为EXCITE子系统做出了贡献。很高兴看到他们齐聚一堂，齐心协力。我们很高兴能进行这次试飞，并期待着未来所有的科学飞行。”

EXCITE仪器主要由美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心、布朗大学、亚利桑那州立大学和安大略省的StarSpecTechnologies建造，并得到了美国、加拿大、意大利和英国的合作者的支持。

美国宇航局的科学气球提供频繁、低成本的近太空飞行，以进行天体物理学、太阳物理学和大气研究等领域的科学调查和技术成熟，以及培养下一代工程和科学领袖。