這架飛機就是一個天文臺 貴到連NASA都直呼用不起

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SOFIA天文臺。圖片來源:NASA photo / Jim Ross


SOFIA望遠鏡曾確認月球上有水,但其科學產出被認為不能與運營成本相匹配,NASA和德國航空航天中心(DLR)決定讓它退役。今年9月30日後,人類將不再擁有大型機載天文臺。


撰文 | 王昱
審校 | 白德凡

1995年12月,一架波音747SP退役了,它從1977年開始為美國泛美航空公司工作,在1986年被轉賣給美國聯合航空公司,機齡18年。大型客機的使用壽命一般在25~30年之間,退役後一般會被改造成貨機繼續使用。但這架客機卻並沒有等來物流公司的訂單,它的下一任雇主並不尋常——它被NASA買下了。1997年,NASA經過一系列手續買下了這架飛機,計劃給它裝上望遠鏡,將其改造成新一代機載紅外天文臺——索菲亞平流層紅外天文臺(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA)。


為什麼要大費周章把望遠鏡搬到飛機上?主要還是為了避開大氣層的干擾。大氣層保護着地面上的生命,但它也阻擋了星光。海拔越高,大氣層厚度越薄,觀測受到的干擾也就越少;海拔越高,大氣中的含水量就越低,對天文觀測(尤其是紅外)就越有利。這兩項指標正好和大多數生物的生存條件相反,可以說,優秀的天文臺址一定是寸草不生的——去年發現的青海冷湖台址也是如此。天文學家一直想把望遠鏡送到盡可能高的地方,能高到太空里自然是最好,但成本太高、風險太大。而大氣層內的氣球、飛機自然成了折中的選擇。



機載天文學


對於將望遠鏡搬到飛機上進行天文觀測這件事,NASA其實有着豐富的經驗。早在1963年,一群NASA艾姆斯研究中心的科學家就展開了一項觀測日食的冒險。他們登上一架道格拉斯DC-8,追着日食的路徑一路飛行,這大大延長了他們對日食的觀測時間。同時,高空大氣稀薄,散射較弱,日食時天空背景比地面上更暗,天文學家能在空中看到距離太陽更近的天體(在地面上它們被太陽的光亮遮擋住了)。總之,這是一次十分成功的觀測,讓NASA決定在這個技術路線上繼續探索。

 

NASA選中了康維爾990型客機,給它裝上望遠鏡改造成了伽利略機載天文臺(Galileo Airborne Observatory)。這樣的天文臺被製造了兩架,分別名為伽利略Ⅰ和伽利略Ⅱ。和之前的嘗試相比,伽利略機載天文臺有了紅外觀測能力。但它的命運非常悲慘,1973年4月12日,伽利略Ⅰ在降落時和一架的美國海軍巡邏機相撞,兩架飛機共16人遇難,只有軍用飛機上的1人幸存。1985年7月17日,伽利略Ⅱ在起飛時爆胎,飛機停止起飛,但在隨後起火,整架飛機葬身火海,所有設備和文檔都被燒毀,所幸無人遇難。


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1965年伽利略Ⅰ在研究日食時的照片,機身上放一排開孔為觀測窗口。圖片來源:NASA


1975年,柯伊伯機載天文臺(Kuiper Airborne Observatory)投入運行,它由一架洛克希德C-141軍用戰略運輸機改裝而來,搭載了圖畫91.5釐米口徑的望遠鏡,觀測波段在1~500微米之間。它可以觀測太陽系、銀河系乃至銀河系外的天體,科學家甚至用它觀測過航天飛機重返大氣層時的隔熱罩。


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1980年,飛行中的柯伊伯機載天文臺與其內部。圖片來源:NASA



索菲亞


1995年,柯伊伯機載天文臺退役,它顯著的成果讓NASA決定“再來一票大的”。於是,1997年,NASA買下了那架波音747SP,拉上德國航空航天中心(DLR)一起,按照80%:20%的出資比例,修建SOFIA。而那架被買下的波音747SP,呼號從此也變成了NASA747

 

SOFIA相關影像。視頻來源:SOFIA Science Center


建成後的SOFIA有效口徑可達2.5米,觀測波段在0.3~1600微米之間,為了隔絕飛行期間的震動,望遠鏡被安裝在飛機內的一個雲臺上。運行過程中,它會先飛到11~14千米的高空,然後打開側蓋,將望遠鏡鏡面直接接觸高空的高速氣流。這時,它位於大氣層99%的水蒸氣上方,足以獲得理想的觀測質量

 

SOFIA每次飛行將有8小時的觀測時間,每周可以飛行3次,預計有20年的壽命。它大部分時候部署在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心,有時也會被部署在德國、智利和新西蘭等地——後兩個國家是為了觀測只有能在南半球才能看到的天體。自2014年投入使用以來,它已經執行了800多次科學飛行任務。

 

作為目前地球上唯一的大型機載天文臺,SOFIA的地位是獨一無二的,它也獲得了獨一無二的成果。2020年,它觀測了月球克拉維斯環形山上被陽光照射的部分,在其中檢測到了清晰的6微米紅外信號,結合之前的研究,科學家確認,只有月球上的水分子能釋放這樣的信號,這也是人類首次確認月球上有水。



高昂的支出


但是SOFIA的開銷也不容忽視。NASA表示SOFIA每年的運營成本約為8500萬美元,幾乎和哈勃空間望遠鏡的運營費用相當就算SOFIA能用機翼掙脫地球引力飛上天空,也難以逃脫現實的引力——NASA開始懷疑SOFIA是否值得。2019年,兩項NASA委托的審查都強調,SOFIA並沒有產出大量高被引出版物。在運行的前6年,科學家只用它發表了178篇論文,而哈勃空間望遠鏡運行的6年間發表了900多篇論文。

 

作為回應,SOFIA項目換上了新的主管瑪格麗特·梅克斯納(Margaret Meixner),更加重視望遠鏡的科學產出。梅克斯納表示:“過去三年中SOFIA發生了巨大的變化。”SOFIA的論文產出率翻了一番,已經可以和歐洲航天局的赫歇爾空間天文臺(Herschel Space Observatory)相媲美——這同樣是一個功勛卓著的紅外望遠鏡,不過相比於SOFIA,赫歇爾運行在太空中。

 

但最終,SOFIA還是沒能通過2020年美國天文學“十年調查”的評審。專家委員會認為SOFIA的科學產出不能和其運營成本相匹配,並且SOFIA和未來美國天文學界着重研究的方向重合不大。最終,NASA表示,SOFIA將在2022年9月30日之前停止運營現實的引力太過沉重,設計壽命20年的SOFIA只能在8歲時匆匆着陸。

 

馬上,這架1977年首飛的波音747SP就會退休了。它的科學數據將會逐步公開,紅外天文學的使命也會由詹姆斯·韋布空間望遠鏡接手。


 

參考鏈接:
https://www.sofia.usra.edu
https://www.nasa.gov/feature/nasa-partner-decide-to-conclude-sofia-mission
https://www.nasa.gov/feature/history-of-airborne-astronomy-at-nasa
https://aircraft.fandom.com/wiki/Galileo_Airborne_Observatory
https://www.scientificamerican.com/article/costly-sofia-telescope-faces-termination-after-years-of-problems/
https://en.wikipedia.org/wiki/Stratospheric_Observatory_for_Infrared_Astronomy


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來源:環球科學

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編輯:樂子超人


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