飞翔中的天文台——索菲亚_风闻

原创：牧夫天文

翻译：DAIKIN

校对：JackTong

排版：况宇庭

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

原文链接：

https://www.space.com/sofia-observatory.html

飞行中的索菲亚，其主要设备外的舱门被打开

Image: © NASA/Jim Ross

索菲亚利用不同“色”的红外光观测星云和星系。它不像一些地上的“亲戚”那样拥有超大镜面，也不像斯皮策太空望远镜那样自由自在，完全脱离地球大气的束缚，但索菲亚却能够捕捉到较广范围的波长，分辨出细微的色差，使其成为天文学界无与伦比的天文台。飞行天文台这一特色也使它相当引人注目，两个半球，十几个国家都曾留下过它飞翔的尾迹～

美国宇航局索菲亚项目科学家纳西姆·朗格瓦拉（Naseem Rangwala）表示：“索菲亚让我们能够用其他天文观测设施无法实现的方式深入了解宇宙”。

飞翔中的索菲亚

在美国宇航局之前使用的的高空红外望远镜——柯伊伯机载天文台（Kuiper Airborne Observatory）退役后，索菲亚于2010年开始服役，并计划运行至21世纪30年代初。索菲亚实际为一架专门改装后的波音747SP，搭载了一架106英寸望远镜，是世界上最大的机载天文台。这架飞机每周飞行约四架次，每次巡航10小时，飞行高度在1.2万至1.3万米之间，高于地球大气中99%的红外散射水汽区域。索菲亚大部分时间在加州运行，但它也偶尔飞飞南半球去新西兰观观星，或者去趟德国探探亲，毕竟它八台设备中的三台都是德国航天局开发的。

索菲亚尾部的一扇舱门在运行过程中始终打开，露出其2.7米直径，近20吨重的镜面。该镜面灵活旋转，能在飞机颠簸或震动时锁定其目标天体。

主机舱的座椅被拆下，装上了仪器控制台，变成了操作员、数据分析员和科学家的控制室。飞机上层供机组人员和领航员闲溜达，飞机前部则保留座位，用来在起飞降落时落座赏景。“飞越南半球时，你可以观赏到美轮美奂的极光。”朗格瓦拉如是说道。

索菲亚内部全景图

Image credit: NASA

索菲亚的与众不同

便携先进的天文台可不便宜。索菲亚在2017年的运营成本为8520万美元，快赶上哈勃了。虽然德国航天局承担了索菲亚20%的成本，但它仍然跻身美国宇航局最昂贵的项目之一。但就望远镜执行的任务而言，并没有什么大不同。

像哈勃这样的望远镜，一旦发射进入了太空，也就没有升级的余地了。但像索菲亚这样可以每天返回地面的望远镜，不需要发射火箭寄送太空包裹，就能增加或者升级设备。

2015年，德国航空航天中心在索菲亚上升级了德国万亿赫兹频率接收器（GREAT）。有了新的硬件，研究人员能够识别深空中的氦化氢分子，长期以来，这种分子被认为参与了宇宙最早期的化学反应。朗格瓦拉表示，“理论界几十年来预测的分子终于被我们找到了！”

前年，索菲亚的高分辨率机载宽带相机Plus（HAWC+）上线，使研究人员能够绘制磁场，并研究它们在恒星形成中的作用。

猎户座星云的磁场在智利甚大望远镜拍摄的红外图像上显示为由红外叠加磁力线表示的磁场。而索菲亚的高分辨率天基宽波段相机(HAWC+)对尘埃颗粒的排列十分敏感，尘埃颗粒沿着磁场排列，使得研究人员能够推断其方向和强度。

索菲亚的另一个特点是其观测范围之大。有的望远镜专门研究几种特殊颜色的红外线，而其他像詹姆斯韦伯太空望远镜之类的强力望远镜也只是集中在宇宙的一小块区域。但索菲亚全部可以做到，其设备仪器的红外光谱范围从几微米到几百微米不等。恒星燃烧发出可见光，通过光谱，索菲亚可以从星系、星云、尘埃云中挑出更为黯淡的天体，类似于利用红外眼镜在夜间辨别人和动物。索菲亚还能以极高的精度分辨出不同大小的阴影——这是发现单个分子足迹的重要能力。

索菲亚的科学贡献

索菲亚独特的技术特长在天文界也十分讨喜。例如麻省理工学院的研究科学家迈克尔·珀森（Michael

Person）在2015年夏天就利用索菲亚观测了冥王星。20年来，他和他的同事一直在通过一种类似日食的掩星现象，即冥王星运行至恒星前产生的阴影，来研究这颗矮行星的大气层。在掩星的时候，星光穿过冥王星的大气层并在地球上投下阴影，任何处于冥王星阴影中的望远镜都能对这颗矮行星的大气有一些新的认识。

不过，大多数掩星阴影会投在海洋上，即使不落在海洋上，它们在地球上的路径也很难预测。但索菲亚可以克服这两个挑战。2015年6月，珀森在索菲亚上电话告知了麻省理工学院他的最终预测，并告知导航员实时调整飞行计划，在太平洋上一路追逐冥王星的影子。“在最后一分钟，我们重新定位（索菲亚）的方式是在地面上快速移动望远镜的方法所无法比拟的”，珀森说。

团队灵巧的应变策略最终得到了回报。在两种颜色下观察冥王星的大气层，能够帮助解决关于这颗矮行星朦胧“雾霾”的争论。两周后，“新视野”号飞过冥王星，证实了他们的发现：冥王星被蒙蒙薄雾笼罩着。

在W51产星区内形成的恒星。叠加在斯隆数字巡天星图上的索菲亚和暗天体红外相机拼图（彩色）

Image credit: NASA/SOFIA/Lim and De Buizer et al. and Sloan Digital Sky Survey

去年，索菲亚已经开始了两个保留项目——均需长达数小时的观察。其中一个是研究不同大小的恒星群，以确定它们的星系泡和冲击波对其附近恒星产生的影响。

另一个目标则是银河系中心大约有四个满月大小的一片区域。尽管该区域恒星形成所需成分丰富，但似乎有某种物质阻止了这一区域中恒星的诞生，研究人员希望更详细的图像能帮助他们找出原因。

朗格瓦拉强调，即使更强大的詹姆斯韦伯太空望远镜上线，索菲亚的互补性将使它成为美国宇航局天文硬实力中更有价值的一份子。她还说道，这些银河系的扫描图可以帮助确定观测方位，对聚焦更窄的太空望远镜来说尤为重要。索菲亚精确地指哪儿，詹姆斯就“打”哪儿。

想要3D打印一架索菲亚吗？ 

虽然大家应该没有3D打印机，但牧夫仍然送上下载链接～

https://nasa3d.arc.nasa.gov/detail/sofia

『天文时刻』 牧夫出品

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  斯皮策太空望远镜拍摄的三叶星云

Image Credit: J. Rho (SSC/Caltech), JPL-Caltech, NASA