架在波音飛機上的高空望遠鏡最新發現：有光照的月表也有水

美東時間10月26日NASA宣布：利用一架波音改裝的全球最大高空望遠鏡——同溫層紅外天文臺（SOFIA）最新觀測到，位於月球南極地帶的克拉維斯環形山存在水分子。

儘管探測含水量大約只有撒哈拉沙漠1/100，但這是首次在有陽光照射的月表發現水。以往發現/推測月球水資源，都是在地下或者終年不見陽光的極寒地帶。

正如NASA總部天體物理學主任保羅·赫茲聲稱：「這是令人興奮的發現，因為按照我們的預期，凡是月球表面有陽光照射的地方都無法存在水。這一發現表明，水可能分布在整個月球表面，而不局限於月球兩極附近寒冷、陰影籠罩的地區。」

這似乎意味著月球水資源可能更容易獲取，為未來人類建立月球基地增添一些動力。

我們知道，NASA主導的重返月球計劃目標：2024年首批兩名太空人前往南極地區，之後每年都會派遣登月太空人，逐步建立常駐基地。

嫦娥六號也計劃2024年發射，同樣飛抵水資源和礦產資源豐富的南極地區，執行機器人採樣返回任務。後續任務也會將月球南極作為重點探測區域，為2030年代中國載人登月、建立長期月球基地作準備。

這次大發現的意義就在於，為人類登月增添不少信心和動力。未來，登月太空人在有陽光照射的月表開採水冰資源，遠比在極寒背光地帶開採要容易得多。通過分解水系統生成氫氧，作為氫氧發動機燃料，氧氣提供太空人呼吸，同時提取液態水作為太空人飲用水，從而為人類常駐月球、建立基地提供不可或缺的持久資源。

下面我們再來了解下這次發現神器：架在波音747上的「全世界最牛的高空望遠鏡」——

一提到天文望遠鏡，你馬上就會想到：各種地面望遠鏡，太空望遠鏡。

但聽說過高空望遠鏡嗎？架在三手波音747上的？

這就是全球最大最著名的高空望遠鏡——索菲亞（SOFIA）。

問題來了，為啥這架高大上的高空望遠鏡，起個女性化的名字？

其實，索菲亞（SOFIA）全名Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，直譯為「同溫層紅外線天文臺」，這就意味著：飛機要飛到同溫層去觀測宇宙。

為啥要飛到同溫層？

先說說什麼是「同溫層」，也叫平流層。

這是地球大氣層自下而上的第二層，海拔高度從8／16公裡～50公裡這一區間。

在對流層之上，特點是相對平靜的大氣層，這一層的上半部分就是著名的臭氧層，能夠吸收大量紫外線，是地球生命的保護傘。

讓索菲亞飛到同溫層觀測，關鍵基於兩點：

①平流層下面的對流層，含有地球大氣層幾乎所有的水蒸氣，而這些水蒸氣能夠阻擋來自太空99%的紅外光，所以地面天文望遠鏡大都沒法精確捕捉紅外光。

②儘管像斯皮策、哈勃這類太空望遠鏡，也能夠觀測紅外光波段，但因為任務繁忙、造價昂貴，無法全頻段觀測紅外光波段，而採用索菲亞這種高空望遠鏡，則要靈活、方便、廉價得多。

所以，美國宇航局花了大力氣設計建造出這款索菲亞，從規劃、設計、製造、改裝，歷時13年，造出這架最大最牛的高空望遠鏡——索菲亞。

當然，索菲亞並不是美國第一架高空望遠鏡。

早在1965年，NASA就採用康維爾990改裝飛機，首次進行了高空望遠鏡紅外光波段的觀測。

再說說三手飛機的事兒。

為了降低成本，NASA使用的是二手飛機，1997年從美國聯合航空公司買下這架波音747SP寬體飛機時，已經足足飛了20年，這期間還倒過一手，所以被戲稱為【三手飛機】。

不過呢，飛機安全、能用就好。

設計能力必須達到：能夠裝下直徑2.5米的望遠鏡，10人一組的實時觀測團隊和裝備，飛上12公裡以上的平流層，每年飛行100個航班。

最關鍵的技術環節，就在高空望遠鏡：第一主鏡必須好，第二穩定性必須好。

①主鏡製造加工，先後在法、德兩國完成。

鏡片採用微晶玻璃特製，幾乎不會膨脹。光是拋光打磨就用了兩年時間，光學鏡面達到8.5納米的精度，1納米有一根頭髮絲的8萬分之一。從1999年開始製造，直到2004進行第一次地面測試，整整用了5年。

②高空望遠鏡另一個關鍵技術，在於穩定性。

就算主鏡研製技術再高精尖，只要飛機一抖，望遠鏡一顫，全都白費。

為此，研發人員專門研製了一個球形軸承，把高精尖的望遠鏡妥妥裝置在這個穩定器上，設計標準需要達到——就像在地面一座10米高的水泥臺上，那種天文望遠鏡一樣穩定！

這得花費多少刀呢？

直到2007年4月26日，索菲亞實現首次試飛，整個項目預算從原來的1.85億，猛增到3.3億美元。

當然，NASA不是一家買單，還有多家分攤：比如德國航空航天中心DLR、高校空間研究協會URSA等。

花掉這麼多經費，索菲亞物有所值？

前面說了，索菲亞作為高空望遠鏡，最大特點就是全頻段觀測紅外光。

它能夠穿透星際氣體和塵埃，觀測恆星與行星的形成，尋找太空生物跡象，探索宇宙有機物的演變，甚至觀測黑洞的運轉機制。

從2007年首飛一直到現在，索菲亞幹出什麼名堂沒？

當然有啦。

2016年初，索菲亞率先發現火星大氣層裡有氧原子。

2017年初，利用中紅外線光譜對穀神星觀測，幫助NASA確定了小行星表面存在行星塵埃。

2017年6月，NASA發布一項研究成果：超大質量黑洞周圍的塵埃環，體積要比科學家預想的少30%，但是更緻密更緊湊。

——這都是索菲亞的功勞。

背後的苦勞，每年要飛100個航班，一個航班10人一組。

要知道作為高空望遠鏡飛了11年，身為波音飛機足足飛了41年（1977～2018）。

還有一項重要功能就是科普教育。

按照我們國產說法，索菲亞可是實實在在的「青少年科普教育示範基地」，每年都會欣然接待——青少年天文愛好者、天文教育工作者、天文館和科學館工作者等人士的實際觀測和體驗。

要知道，索菲亞的身份可是全世界最大最尖端的高空望遠鏡，要是在某些國，恐怕只能是遠觀、不能近身的供品。