NASA的SPHEREx任务（全称为Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer）是一个创新的空间天文观测任务，旨在通过广泛的红外光谱调查，探索宇宙的历史和结构，研究星际介质中的水和冰的分布，并回答有关星系演化和宇宙大尺度结构的关键科学问题。
1. 任务科学目标
SPHEREx的主要科学目标包括以下三个方面：
1.1 宇宙的起源与演化
- 探索宇宙的起源：SPHEREx将研究宇宙早期膨胀（宇宙暴涨）阶段的物理机制，测量宇宙中大尺度结构的分布，并寻找原初密度扰动的痕迹。
- 研究星系形成的历史：通过光谱测量数百万个星系的红移分布，了解星系形成和演化的时间序列。
1.2 再电离时代的物质分布
- 再电离时代的研究：这段时期标志着早期恒星和星系逐渐点亮并影响宇宙中气体分布的过程。SPHEREx通过红外观测来探测这一重要宇宙阶段的光学背景和物质特性。
1.3 星际介质中的水和有机分子
- 探索生命相关化学物质：SPHEREx将研究银河系中的星际介质，特别是冰和有机分子（如水、甲烷和其他复杂有机物）的分布。这些分子对于行星形成和生命起源的研究至关重要。
- 绘制冰的地图：任务将绘制银河系中数百个恒星形成区域中冰的分布图，帮助理解恒星和行星的形成过程。
2. 技术实现与仪器
2.1 主要仪器
SPHEREx的仪器设计紧凑高效，具备高光谱分辨率的广域成像能力：
- 光学系统：采用反射望远镜，搭载两个可见光至近红外（0.75到5微米波段）的光谱成像仪。
- 光谱观测：覆盖96个窄带波段，提供每个目标的高精度光谱数据。
- 冷却系统：任务使用被动冷却技术保持光学设备在低温下运行，以减少红外波段的热噪声。
2.2 扫描模式
- SPHEREx将通过全天扫描模式对整个天空进行多次观测，最终生成全天空红外光谱图。
- 分辨率与覆盖范围：
- 空间分辨率：~6.2弧秒
- 光谱分辨率：R ~ 35至R ~ 130（具体取决于波长）
2.3 数据处理
- 任务计划处理和存储海量数据，生成高精度的星图和光谱数据库。这些数据将公开供科学界使用，以促进后续研究。
3. 任务实施与进展
SPHEREx任务于2019年被NASA批准，属于中等规模的探路者计划（Explorer Program）。任务计划在2025年由SpaceX的猎鹰9号火箭发射。任务设计运行2年，期间完成多次全天空扫描。
NASA喷气推进实验室（JPL）负责任务的总体管理与仪器开发。加州理工学院（Caltech）与多国机构合作参与任务的科学规划和数据分析。
4. 科学意义与影响
SPHEREx将为宇宙暴涨模型提供直接观测证据，帮助科学家区分不同的暴涨理论。
任务数据将覆盖从近邻星系到宇宙深处的数百万个目标，揭示星系和恒星的形成与演化过程。帮助科学家理解恒星形成的分子环境，以及行星系统形成过程中水和冰的作用。
SPHEREx生成的光谱数据将对天文学、宇宙学和行星科学等多个领域的研究产生深远影响。数据的多用途特性也将为人工智能、数据处理和遥感技术的应用提供新的研究方向。
SPHEREx的广域光谱观测功能填补了此前任务的空白。相比詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST），SPHEREx关注的重点是低分辨率的大范围光谱数据，而非极高分辨率的深空探测。与WISE任务相比，SPHEREx具有更高的光谱分辨率和更多的波段覆盖。