2025年12月19日，NASA宣布其新型空间天文台SPHEREx已完成一个引人注目的首个里程碑：一项以102个不同红外波长捕获的全天巡天。在仅仅六个月的科学观测中，该任务产生的不是单张照片，而是大量重叠的地图集——每个波长都揭示了整个天空不同的物理和化学特征，从我们星系的尘埃带到遥远星系的微弱光芒，这些星系的位置承载着关于宇宙最早膨胀瞬间的信息。
多彩的望远镜
SPHEREx——宇宙历史、再电离时代和冰探测器分光光度计（Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer）——旨在完成一项对空间望远镜而言不同寻常的任务：将宽阔的覆盖范围与中等光谱分辨率相结合。SPHEREx没有使用少数几个宽波段滤光片或指向极小片天空的高分辨率光谱仪，而是使用了六个探测器和一组窄带滤光片，使得每次曝光都能记录102个独立的波长测量值。这一技术选择将每张图像变成了一个102通道的数据立方体，让天文学家能够观察不同物质和温度在红外线中是如何发光的。
这些红外波长虽然肉眼不可见，但对现代天文学至关重要。即使在光学望远镜一无所获的地方，寒冷的尘埃、分子冰和微弱的恒星形成区在红外线下也显得格外明亮。随着SPHEREx每天绕地球运行约14.5圈，扫描每日的天空条带，并让轨道几何形状随着地球绕太阳运动而移动其观测条带，它在半年内完成了对整个天球的覆盖。任务科学家将该天文台的多彩能力与螳螂虾的超光谱视觉相类比——这是一种表达SPHEREx能一次捕获多少信息的简洁方式。
从平面的天空到三维地图集
该任务最重要的功能之一是将二维天空图转换为附近和遥远宇宙的三维地图集。来自遥远星系的光由于宇宙膨胀而被拉伸到更长的波长——这就是众所周知的红移现象。通过测量一个星系的光在许多窄波段上的偏移，可以估计它的距离。SPHEREx对每个源进行的102次测量提供了比普通宽带成像丰富得多的光谱细节，因此对于数亿个星系来说，光度红移变得更加精确。
这种深度并非纯学术性的：星系在三维空间中的聚类模式追踪了暗物质铺设的网状架构，并编码了宇宙在最初几分之一秒内暴胀时留下的细微变化。宇宙学家希望SPHEREx能帮助测试简单的暴胀模型是否正确，以及那些原始量子涨落是否真的孕育了我们今天看到的星系。简单来说，SPHEREx在宇宙学层面上测量了宇宙诞生时留下的化石涟漪。
绘制银河系的冰冻化学图谱
SPHEREx不仅是一个宇宙学仪器。它的核心目标之一是清点我们星系中冰的存量。水、一氧化碳和二氧化碳冰覆盖在寒冷分子云中的尘埃颗粒上，随后成为彗星、行星和其他小天体的一部分。通过在红外线中探测这些分子的特征光谱指纹，SPHEREx可以定位行星乃至生命原始物质的富集区。
由于该任务每六个月巡天一次，并计划在其为期两年的主要任务期间进行多次全天扫描，它将构建一幅冰富集区分布及其演变的动态图像。这种系统性的、全星系范围的普查是独一无二的，将为更高分辨率的设备提供后续观测目标，以便放大研究特定的云团、年轻的恒星系统或到访的星际天体。
宇宙学：探寻暴胀的指纹
暴胀——假设中宇宙在大爆炸后最初的10^-32秒内发生的极速膨胀——一直是一个成功的解释框架，但由于难以将其与后期可观测物联系起来，它在很大程度上仍停留在理论层面。SPHEREx通过在巨大空间体积内绘制星系的统计分布，提供了一种弥合这一差距的务实方法。这些统计数据可以揭示细微的特征，例如密度场中偏离纯高斯分布的情况，这些特征将指向暴胀时期的物理学。
SPHEREx不会提供单一的确定性答案；相反，它将为宇宙学家的工具箱添加一个强大的新数据集。当与精细的建模、引力透镜巡天以及光谱后续观测相结合时，该任务对数亿个星系的光度红移测量可以加强对暴胀模型以及塑造星系形成的暗物质架构性质的约束。
SPHEREx如何补充天文台群
SPHEREx刻意定位在两种常见的观测策略之间。像詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）这样的望远镜可以提供极其详尽的光谱，但视场非常小；像WISE这样的全天任务覆盖了整个天空，但色彩通道要少得多。SPHEREx的定位是成为一台宽视场分光光度计：一个天空侦查员，标记出有趣的物体、化学指纹和三维结构，供更专注的仪器进行研究。
NASA和JPL强调，该任务的数据旨在成为社区资源。完整的数据集已经公开发布，该任务在主要运行期间将至少再进行三次全天扫描，以降低噪声并揭示更微弱的特征。其结果将是一个不断增长、层次丰富的档案，天体物理学和行星科学领域的研究人员可以从中挖掘任务团队未曾预料到的发现。
早期结果与未来可能性
即使在最初的六个月里，SPHEREx已经制作出了引人注目的伪彩色全景图，分离出了恒星、高温氢气和宇宙尘埃的辐射。该天文台已经观测到了太阳系内部的天体——包括星际彗星3I/ATLAS——并且将对超新星和耀星等瞬变现象保持敏感。这些瞬变探测受益于SPHEREx重复的全天观测频率。
在接下来的几年里，该任务的层级地图应该会完善我们对星系如何组装、行星形成冰存在于何处，以及宇宙的大尺度结构如何保留其最早物理学印记的认识。这些数据还将指导使用韦伯望远镜和地面光谱仪进行的高昂后续观测：SPHEREx可以指出大海捞针中那些最值得深入研究的“针”。
来源
- NASA (SPHEREx 任务简报及新闻材料)
- Jet Propulsion Laboratory (SPHEREx 项目办公室)
- California Institute of Technology (Caltech)
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