我從 NASA 舉辦的兩個公眾對談中摘要，做一個史匹哲 17 年來豐功偉業的懶人包——最古老的宇宙起源、銀河系的演進、恆星的生命史、地球以外有適合生命的行星嗎——我們怎麼來？要到哪裡去？我們孤獨嗎？這些大哉問都部分被揭開新頁，正是因為它諸多開創性的任務。
兩個對談分別是
〈NASA JPL - Spitzer's Final Voyage (live public talk) Jan. 23, 2020〉和
〈The Universe in Infrared: The Legacy of the Spitzer Space Telescope Jan. 23, 2020〉。
Who: 史匹哲是誰？
§ 萊曼．史匹哲（Lyman S. Spitzer, Jr. 1914-1997）普林斯頓大學天文台台長，天文物理學家。專攻星際介質、電漿物理、恆星形成的理論。史匹哲也是登山愛好者。他是倡導在地球大氣層之外架設「太空望遠鏡」能大力推進天文學發現的先驅者之一。
How: 史匹哲望遠鏡怎麼看宇宙？
§ 這題可以擴張開來講。NASA 燒錢探測宇宙是在追求卓越，探問那些最狂最深刻的問題：我們從哪來？未來將會怎樣？ ←要是去掉實際的觀測，這倆問題就哲學了。針對這些最宏大問題的切入點，就是觀測恆星如何在早期銀河系中形成、隨時間演變的機轉、最終的命運。
因此第一代的四大太空望遠鏡：哈伯、康普吞、史匹哲、錢德拉。就做為補充地球地表上怎樣都做不到的觀測的望遠鏡而誕生~~ 有沒有很 PLUS ULTRA！
守備範圍：康普吞（=伽馬射線）、錢德拉（=Ｘ射線）、哈伯（=可見光，一點點近紫外光和近紅外光）、史匹哲（=近紅外到遠紅外線）。
其中最有名的哈伯專門觀測可見光波段，但是可見光其實不用上太空，地表的天文台也看得到，只是有大氣層的擾動——但近年來很厲害的「自適應光學」技術已經突飛猛進，抵銷了這一缺點。※自適應光學很狂之處一句話總結：大氣會扭曲影像有什麼關係？我們扭曲望遠鏡鏡面就可以抵銷惹。
其餘三者的波段就不然，全部或部分被大氣層給擋住，不離開地球表面沒辦法。Ｘ光和伽馬射線受到大氣層氣體分子嚴重散射。而在我們這一層：對流層的溫暖水氣（最重要的溫室氣體）會強烈吸收紅外線。這個就是「大氣窗」（atmospheric window）的概念
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| 電磁波波長的大氣窗 |
但這宇宙可不只有看得到的部分——可見光之外還有很多可看的。人眼能看到的可見光波長囊括了 0.8 個「八度」左右 ※樂理中，每升八度頻率加倍，波長減半 ，相對上很狹窄。但光是史匹哲囊括的紅外線就囊括了 5.5 個八度（3.6~160 微米，一共 44.4 倍的波長）。
極高能的天文過程中會迸出 γ 射線與Ｘ射線。而極冷的部分：星際塵埃則是發出紅外光（可以想成紅外夜視鏡）；或極遙遠、因此極老的其他銀河系，發出的星光因為宇宙膨脹而紅移，波長硬生生被拉長、扯成了紅外光。以上就是「紅外線天文學」的主要主場。
但此外，因為史匹哲也有優異的光譜儀性能，藉此它能看到一些細想起來挺不可思議的東西。物質分子的光譜，尤其是紅外線光譜能傳遞（尤其有機物）的組成的資訊，就像是有機分子的指紋，於是天文化學家隔空就能推敲出遙遠星雲、恆星、甚至行星大氣層的組成成分了。
Where: 這個望遠鏡在哪裡？及
When: 任務時間線？及
Why: 為什麼要退役？
§ 三題可以用同一張圖說明。首先，就它最特別，史匹哲望遠鏡 並不繞地球運轉。
既然它是紅外線望遠鏡，紅外線 ≒ 熱，所以它所在的地方越冷越好，熱 ≒ 雜訊。於是它的關鍵觀測元件需要用液態氦冷卻到將近絕對零度，以避免系統測量誤差。
而地球和月球附近充滿了反射與散射的紅外光，很「溫暖」。為了避開地球的光害，卻又得確保 1.太陽能供應電力 和 2. 與地球的通訊，NASA JPL 遂想出一個不常見的方案：日心軌道。
史匹哲像地球一樣繞太陽公轉，是顆「人造小行星」。它的繞日軌道和地球幾乎一樣，但稍遠離太陽。由於公轉軌道越遠有越長的周期，史匹哲會漸漸開始 lag 落後於地球。
那位置絕佳，與地球與太陽的相對方位變化不大，天線與太陽能板都能輕鬆對齊（稱為航天器的姿態控制）。同時又能處在夠冷的環境，努力保存冷卻用的液態氦。如上圖所見，由於聰明的節約使用，液態氦用了六年才耗盡。
這樣的軌道的唯一缺點大概是遠，如果史匹哲在任務早期出現故障，沒有任何載人太空器具能夠飛去維修再返回地球。如太空梭替繞地球運轉的哈伯望遠鏡維修那樣。
隨後史匹哲進入所謂「溫任務」時期：因為熱雜訊，最冷的部分的宇宙不太能觀測了。但仍然有許多觀測任務能作。雖然叫溫，但其實是零下 243 度C（絕對溫標 30 K），是相較於原本液氦沸點為 4 K 而言。
史匹哲任務由位於加州理工學院帕薩迪那校區的控制中心管理。並利用 NASA JPL 管理的重要太空基礎建設：深空網路（Deep Space Network）保持通訊 ※所謂深太空就是比月亮遠的地方。深空網路由美國加州、澳洲坎培拉、西班牙馬德里三個地方的無線電陣列，收發目前太陽系中所有太空探測器的上行控制訊號和下行資料下載。
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| 深空網路，沒有它就沒有任何太空任務 |
而如前所述，液氦用完了也不是結局。而史匹哲即使在任務的最後階段仍一直高產，所以也不是沒錢，或沒產出的問題。問題出在它在這 16~17 年間已經在繞日軌道上漂太遠了，要同時保持屁股天線對地球，太陽能板對太陽，望遠鏡又同時指向觀測目標的姿態操作難度爆增，故障失聯的可能性也於是增加。
早在 2016 年就研議過要讓史匹哲退役，但遲遲撐著克勤克儉到 2020 年的理由是......囧，因為作為它的接替任務「詹姆士．韋伯太空望遠鏡（JWST）」多災多難，在重大測試中 NG 必須從頭檢查，導致發射時間誤點再誤點。※目前 JWST 預計在 2021 年升空，我們求天公伯保佑它。Do not jinx it!
在 17 年任務期間，史匹哲太空望遠鏡開闢了先前幾乎不存在的天文學領域，更作為實驗先鋒，成熟了一些非常聰明的觀測方法（後述）。當它退役後，從這 17 年的經驗中設計出來，更加強力與專門的後繼天文望遠鏡也將一一出爐，這都要算在史匹哲的功績上。
What: 17 年來史匹哲執行過哪些精彩任務？
§ 俗話說得好，人生是自己的，但天空是大家的——NASA 也一樣。
意思是，全世界的天文團隊都可以向 NASA 提出觀測草案，在後續的審核中彼此競爭天文台的使用時間——世界各天文台都差不多，只是剛好史匹哲是在太空故特別搶手這樣。NASA 做為一個高端的平台，就能坐擁源源不絕的好主意，他們「開放近用政策」打的算盤大概是這樣～～那些好主意包括但不限於：
[ 1 ] 配合 NASA 的 2005 年「深度撞擊」（Deep Impact）任務觀測彗星化學組成。
深度撞擊的名字來自那部電影，但這次換成美國人撞彗星。於 2005 年的美國國慶日在坦普爾一號彗星上炸出一片彗星塵土，時機不可不謂很故意XD 史匹哲與其它具有光譜分析功能的天文台，全程目睹那場撞擊，並分析彗星的深層成分。
[ 2 ] 形成恆星中的星系塵埃、碰撞中的兩個星系等等，相當有科學價值的「美照」。#假色照片
同一個星系用不同光波長去照，可以看到不同的重點。從高能量發出耀眼Ｘ光與伽瑪射線的部分（黑洞吸積盤、中子星、脈衝星、噴流）；到正常壽命中散發紫外光、可見光與近紅外光的恆星；到更冷因此不發出可見光，只隱隱然發出紅外光的星際介質（主要是氫、氦，和一些更重的元素組成的塵埃），當這些物質因為重力而圍繞彼此開始聚集「坍縮」，就會越來越溫暖（剛剛寫過，太空中的溫暖指的是幾十Ｋ），更溫暖的「原行星盤」，和更加溫暖、就即將點燃核融合之「火」的原恆星。
史匹哲因為囊括極廣泛的紅外光收訊，也就可以按研究需求，針對不同溫度的部分分開顯像，或結合成一張「假色」呈像圖。假色（False color）指的是紅外光本來肉眼看不見，但為了利用我們人眼三色視覺的直觀呈現資料，研究者從 RAW 的資料中，取三個波長範圍，分別用紅、綠、藍色光代表，組成一張 RGB 的彩色圖片。
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| 鷹星雲「創世之柱」的恆星密集形成區，上方為哈伯可見光攝影，下方為史匹哲紅外光假色圖。 |
恆星形成（star formation）是近年來非常夯的天文學領域，很是得利於紅外線天文學的輔助。尤其是直接證明了恆星不會隨便形成，經常一形成就是一群一起形成的理由是鄰近有超新星爆炸，產生的輻射壓力、物質噴流、游離輻射電荷等擾動，影響了星際介質，最終導致變「黏滯」的分子雲向內坍縮，直到新恆星點燃。
超新星是恆星生命的終點，卻常常扮演了更多下一代恆星的起始，是一個星際的後浪推前浪的概念。
[ 3 ] 非常遙遠非常古老的星系與恆星
前文提過緣由，哈伯望遠鏡曾照過一張有名的〈哈伯超深空〉（Hubble Ultra-Deep Field），是對星空中一個針頭大的、乍看什麼玩意兒都沒有的空域延時曝光，在十幾天之中收到的光全部疊加起來，顯現出極震撼的景象：距地球 130 億光年遠，也是 130 億年前的宇宙的超年輕時期。
當它們發出的光子終於傳到地球時，已經變成離散的一顆顆的光子，因此哈伯才必須連續曝光 11 天收集起來成像。這些光子就連的含有的能量也「老了」，被擴張的宇宙偷走 → 這是 宇宙學紅移 現象，同時也是我們據以判斷那些天體年齡與距離的方法。
猜猜看這方法誰發明的？就哈伯本人囉。#是在哈伯
哈伯超深空中，不少拍到的星系的「紅移值」z=6~7，也就是說它們的光波長被拉扯變長，成了原本的 7~8 倍。例如原來的近紫外光波長 400 奈米，到地球已經變成 3000 奈米的紅外線了。而哈伯望遠鏡探測紅外線、分析紅外光譜的能力有限，史匹哲就能接手支援了。以後 JWST 也會繼續深耕這一塊。約 2025 年的下一代紅外天文望遠鏡 W-FIRST 也是。
[ 4 ] 先前沒人知道存在的幽靈土星環——Phoebe 土星環
2009 年，史匹哲在約略是土衛九「菲比」軌道的距離發現了這個超級稀疏的塵埃星環。它非常大，近期的新觀測指出甚至分布到約 300 倍土星半徑的地方，在地球看來這範圍比滿月還大兩倍。問題是它稀薄到根本是隱形的，就連卡西尼-惠更斯號探測器都飛到土星近看了，都只看到一片漆黑。
天文學家猜想那兒有環，是因為衛星菲比非比尋常，很不合群的它是順時針繞土星的。菲比表面有堪稱慘烈的一系列撞擊坑，可以猜想這些撞擊拋出的物質可能形成一個環。最終藉由塵埃較強烈的散射紅外線，被史匹哲探測到。
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| 菲比尋常 |
[ 5 ] 系外行星研究的利器
1. 熱木星（hot jupiters）的暴風
這個 87% 像科幻小說的標題完全實在，從 1990 年代開始成熟的系外行星觀測理論與實際資料，收集起來以後天文學家發現，有種在別人家很常見的行星我們太陽系沒有（謝天謝地，好在沒有）那就是非常靠近太陽的氣體巨行星，簡稱熱木星。
有多近呢？通常小於我們家金星、甚至水星和太陽的距離，於是和我們高冷的木星不同，熱木星可是熱到滾瓜爛熟 (?) 的程度。但由於與太陽極靠近，「潮汐鎖定」效應還讓熱木星永遠以同一面面對著、被它的太陽燒烤，而另一面永遠黑暗。
史匹哲就是一根靈敏的太空溫度計，可以辨認出這兩半之間的溫度差異。意外的是這個溫差經常不大，就是說，即使暗面永遠曬不到陽光，卻和亮面一樣的超熱。物理學家就可以建立模型，推論熱木星上的大氣層要怎麼激烈的對流（就是風）才能把亮面的熱量傳遞到暗面去。
多快呢？時速六千公里 ≒ 五馬赫。爆強。並且「外星氣象學家」（exo-meteoroogist）從此變成實際的職稱了XD
2. 系外行星被扯裂，秀出真實內在
透過光譜學法，我們可以窺探系外行星大氣層中的化學成分。但對於行星的固體部分就無法了。2019 年加州理工的科學家發揮了創意，曰：等到行星毀滅了就看得到內部啦。
他們觀測的目標是白矮星，白矮星是質量如我們太陽的恆星在生命終點時留下的殘骸，是停止了核反應的「恆星的灰燼」：表面布滿氧、氖、鎂之類的原子組成的緻密材料殼子，雖然是餘燼，但仍然可達十萬度的燙。
久而久之，內側類地行星可能因為與其他行星軌道共振等原因，遷移到距離白矮星一個致命的距離——洛希極限，就會被潮汐力扯裂，屍骨無存地灑在白矮星的表面。原本行星地殼就變成白矮星表面的「雜質」被我們偵測到了。雜質含有與我們地球地殼相似的成分：鋁氧矽鎂鈣鐵。
3. TRAPPIST-1 系統的七顆超緊密內行星
透過 200 小時的連續觀測，史匹哲獲得的訊號不僅讓比利時的天文學家算出七顆行星的大小（凌星法），更從「軌道共振」信號獲得它們的質量，質量除以體積等於密度，得出繞著紅矮星公轉的這七顆行星全都是岩石行星。
多虧史匹哲（後來又追加了 200 小時觀測），TRAPPIST-1 系統是至今獲得最多關注分析的系外恆星系。
※花絮：TRAPPIST 不是什麼瘋狂的字母縮寫，Trappist 是比利時有名的修道院啤酒。這些天文學家的幽默感實在XDD
特別美圖專區：
本文差不多到此，值得注意的是雖然史匹哲望遠鏡已經進入永久的待機，但是它豐富的觀測資料都還留在加州理工，並對所有人釋出——NASA與其他國家太空機構，資料大多都遵循開放原則，除了給天文學家保留半年到一年的時間分析、發論文，之後就都是進入公有領域，任何人都可以分析取用了。
※所以寫太空科普最爽的是所有圖片都是公有領域，絕對不會被吉。（例外是含有太空人的照片有肖像權，需取得授權。）
而因為前述史匹哲望遠鏡的日心軌道，當它 lag 到最後就會繞過太陽，從地球軌道的另一面又回到我們附近，這樣周而復始又周而復始的節奏。
根據第二個影片中，與會的專家的私心最愛影像嚴選。
§ 銀河系 360 度巡天 GLIMPSE
銀河系平面中的塵埃會阻擋許多可見光與短波長的觀測，但塵埃對於一定波長的紅外線來說是透明的。因此有此美圖（影片）
§ M81 星系
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| 此為哈伯和史匹哲資料的疊圖 [source] |
§ NGC 133 星雲（英仙座分子雲）
（全文完）
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