飛行2000多公裡上演真實版「夸父追日」，會飛的望遠鏡中屬它最牛

SOFIA是一架由波音747SP改造而成的飛機，裝載一臺2.5米直徑的望遠鏡，將被列為世界最大、敏感度最高的飛行天文臺。索菲亞天文臺可以飛1.2萬米至1.4萬米左右的高度，這是連目前世上最先進的陸基望遠鏡都無法企及的飛行高度，在這個海拔高度，索菲亞基本不受到地球大氣層水蒸氣的影響。

出品：太空伊卡洛斯

天文觀測是一項非常有難度的挑戰，因為大氣中水汽、塵埃以及折射、電磁輻射、地表光汙染等多種因素都會干擾到觀測，於是才誕生了空間望遠鏡，把望遠鏡搬到天上去。宇宙中大多數迷人的天體基本都是從光譜中紅色區域散發能量，陸基望遠鏡觀測能力有限，畢竟地球大氣層所含的水蒸氣會吞噬很大一部分的紅外輻射。但是發射一具空間望遠鏡非常昂貴，哈勃望遠鏡在1990年代的造價是15億美元，每年維護費用為1億美元，而且直徑2.4米的鏡面還需要太空梭才能送上軌道，這些都增加了部署和運營成本，不是所有國家都能承受得起。

圖註：哈勃望遠鏡在1990年代的造價是15億美元，由太空梭送入軌道

圖註：在軌道上的哈勃望遠鏡

NASA最先進的韋伯望遠鏡，造價已經突破88億美元，已經比肩許多國家的GDP，因此空間望遠鏡是個燒錢的無底洞。那麼有些科學家想，可以把望遠鏡搬到飛機上，在平流層上運行，這樣就大大降低了水汽、光汙染等幹擾，而且費用也不高，這個方案很快得到了落實。

NASA研究發現，如果飛行高度達到1.2萬米，能夠遠離水蒸氣的影響。還有一個必須考慮的影響因素是宇宙中存在會遮擋可見光線的巨型塵埃雲。塵埃雲對紅外輻射影響為零，所以紅外探測儀可以透過塵埃雲，探測雲內的物質。因此把望遠鏡搬到天文可以進一步研究恆星誕生過程、追蹤太空有機分子的來源、彗星觀測等，甚至是宇宙黑洞。

圖註：大氣湍流對天文觀測的影響

圖註：利用空基望遠鏡追蹤日食是可延長觀測時間

那些會飛的望遠鏡

1966年，航空天文學開始興起，畢竟航空工業也逐漸發展起來。行星科學家Gerard Kuiper博士在一架康維爾990型飛機（被命名為Galileo I：伽利略1號）上安裝了一臺30釐米望遠鏡，接著航空天文學的可行性被首次證實，科學家開始將紅外望遠鏡放到飛機上。1974至1995年，柯伊伯機載天文臺正式運行，一臺91釐米的反射望遠鏡被裝載在改裝的C-141運輸機上。柯伊伯機載天文臺的觀測範圍很大，從銀河系、黑洞到彗星、有機分子都可以觀測。

圖註：1947年科學家在一架B-17轟炸機中安裝瞭望遠鏡，對太陽進行觀測，這也是早期的夸父追日

圖註：Learjet 24B飛機安裝的簡易望遠鏡

1968年，NASA在Learjet 24B飛機上安裝瞭望遠鏡，飛行高度為1.4萬米，可對木星等太陽系天體進行觀測。1948年，美國國家地理學會借用了兩架B-29轟炸機，上演現實版的「夸父追日」，飛行區域在紅海和沙特上空，使得日食持續時間增加了數分鐘。1981年，美國宇航局改裝了一架C-141運輸機，搭載一臺36英寸直徑的反射望遠鏡，這臺飛行的望遠鏡還飛行了冥王星的大氣層，觀測了天王星的環結構等，甚至對1987A超新星爆發餘輝進行觀測。1996年，NASA和德國共同合作，準備改裝一架大型客機，安裝直徑2.5米的反射式紅外望遠鏡，這就是目前最先進的飛行望遠鏡：索菲亞SOFIA同溫層紅外天文臺。

圖註：C-141運輸機改裝的空基望遠鏡

索菲亞SOFIA同溫層紅外望遠鏡

SOFIA是一架由波音747SP改造而成的飛機，裝載一臺2.5米直徑的望遠鏡，將被列為世界最大、敏感度最高的飛行天文臺。索菲亞天文臺可以飛1.2萬米至1.4萬米左右的高度，這是連目前世上最先進的陸基望遠鏡都無法企及的飛行高度，在這個海拔高度，索菲亞基本不受到地球大氣層水蒸氣的影響。索菲亞天文臺異於普通天文臺，作用是利用不同類型的紅外光探測星雲和星系。索菲亞雖然沒有配備和陸基望遠鏡一樣的超大直徑鏡面，也沒有像紅外史匹哲太空望遠鏡那樣直接脫離地球的大氣層幹擾，但能夠探測到大部分波長的光，並對微妙的色差進行分辨，而且可以在地球上任何一個空域飛行，觀測範圍很大，還能觀測到冥王星。

圖註：索菲亞同溫層紅外望遠鏡，注意後艙觀測門已經開打

圖註：NASA兩代空基望遠鏡，分別是索菲亞同溫層紅外望遠鏡和C-141運輸機改裝的空基望遠鏡

圖註：NASA三代會飛的望遠鏡

索菲亞機身側面安裝有空腔諧振器，方便望遠鏡對外探測，獲取最高清的紅外圖像。索菲亞一次航程的持續時間是8至9小時，花費大約100萬美元。坐落於美國加利福尼亞州的艾姆斯研究中心每周2至3次科研飛行，起飛抵達就位於最艾姆斯研究中心的莫菲特場，不過一年當中有1至2個月會從南半球基地出發，偶爾還會從德國等世界各地機場起飛，畢竟在索菲亞所含的8個主要設備中，屬於德國開發的就有3個。自2010年起，SOFIA天文臺就服務於太空紅外探測，預計將於20世紀30年代終止運行。

索菲亞天文臺的內部進行了大量改進，取消了舷窗，控制室內陳列了可供各領域工作人員的控制臺，飛行人員和駕駛員在飛機上層，飛機的前端則仍保留座椅，工作人員可以坐在座椅上享受飛機升降、並欣賞窗外的風景，當索菲亞飛至南半球，整個機組人員就可以觀賞到美麗的極光。

圖註：索菲亞同溫層紅外望遠鏡的望遠鏡安裝位置

圖註：索菲亞同溫層紅外望遠鏡內部艙室劃分格局

尖端天文臺必定燒錢，2017年索菲亞的運行總成本就已經達到8520萬美元，都可以和哈勃太空望遠鏡並列為美宇航局耗資最多的太空探索項目之一，德國航空航天中心也負擔了索菲亞項目大概20%的成本。一般情況下，在望遠鏡踏足太空的瞬間，它的研發就此終止。但是按時降落的索菲亞天文臺卻需要不斷升級，增加投入。比如，2015年，德國航空航天中心對索菲亞上的GREAT設備進行升級，升級後的索菲亞可以探測深空中疑似參與過宇宙早期化學反應過程的氦氫化物分子。此前，科學家已經預測此類分子的存在。去年，索菲亞高解析度機載寬帶相機HAWC+面世，從此索菲亞可以對宇宙中的天體磁場進行成像，幫助科學家進一步研究磁場在恆星形成過程中所扮演的角色。

索菲亞的另一個優勢是探測範圍，傳統的望遠鏡有針對性的探測波段設計，就算是強大的詹姆斯韋伯太空望遠鏡，探測範圍仍然十分局限。索菲亞的紅外光譜儀觀測波長為幾微米至幾百微米之間，科學家可以通過燃燒恆星發出的明亮可見光判斷恆星的位置，發現宇宙星系、星雲甚至塵埃雲中昏暗、低溫物體，這種功能就好比人類戴著紅外防護鏡在夜晚觀測，高精密度的索菲亞望遠鏡還能找到陰影和陰影之間的不同，這涉及到分子指紋技術。作為世上最大型的飛行天文臺，索菲亞的圖像畫質較早期提高了3倍，靈敏度也有了質的飛躍，能夠在需要的時候飛到目的地對各種天體事件進行觀測。

圖註：索菲亞同溫層紅外望遠鏡內部結構

索菲亞機身的望遠鏡來源於德國先進航空航天公司Kayser-Threde GmbH和MAN Technologie的聯合設計。德國宇航中心不僅領導整個望遠鏡項目，還在整個項目的運營過程中貢獻了20%的力量，於是獲得索菲亞一定比例的珍貴探測時間。

索菲亞天文臺的科學貢獻

2015年夏，來自麻省理工學院的科學家Michael Person就通過索菲亞對冥王星進行探測。該團隊長期研究冥王星的大氣層，方法是利用凌星觀測，該現象發生時，冥王星正巧經過遙遠的恆星，從而留下陰影。索菲亞望遠鏡就會藉助遙遠星光穿透冥王星大氣層的那個時間點，觀測冥王星周圍的氣體並從中提取有用信息。

圖註：冥王星的圖像一直非常模糊

由於凌星的陰影途經地球的路線基本都落至海上，甚至根本都不會出現，那麼會飛的望遠鏡優勢就很明顯了。索菲亞望遠鏡可以在太平洋上空尋找冥王星的凌星信號，結果發現冥王星大氣層兩種不同的顏色，證明為冥王星的圖像不清晰是因為存在霾的可能。大概兩周後，美國宇航局新視野號飛抵冥王星，結果發現冥王星的軌道圖像確實模糊不清，進一步證明了是冥王星大氣本身的問題。這些年，索菲亞重啟了兩項太空觀測計劃，包括由觀測恆星，判斷恆星風是幹擾了其他恆星的形成；探索銀河系中心一塊相當於4個滿月大小區域的主要成分。科學家懷疑應該是存在某種物質、或者現象阻礙著恆星的形成過程，科學家寄希望於索菲亞拍攝的高清圖像找出那個物質或現象究竟是什麼。在下一次日全食任務中，NASA制定了長達2000多公裡的飛行計劃，將再次上演現實版的「夸父追日」。

就算強大的詹姆斯韋伯太空望遠鏡升空入軌，但索菲亞望遠鏡的互補優勢使其在美宇航局天文望遠鏡中的地位屹立不倒，甚至更有利用價值。索菲亞的設備對銀河系可以進行高清掃描並繪製成圖，這些圖像能夠提高太空望遠鏡的探測效率。