能飞20年的空中天文台,才用8年就不要了,NASA为啥如此败家?
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能飞20年的空中天文台,才用8年就不要了,NASA为啥如此败家?

原创 马门溪龙饲养员 果壳

9月28日夜,美国洛杉矶棕榈谷,一架波音747从美国空军第42厂的跑道上起飞。

和过去8年来这架飞机作过的800多次飞行一样,此行的目的是要到万米高空之上,打开机身侧面特制的旋转舱门,用那台口径2.5米的望远镜,接收来自遥远天体的红外线信号。

飞行中的SOFIA天文台 | NASA / Jim Ross

飞行中的SOFIA天文台 | NASA / Jim Ross

代号NASA747的这架飞机,是一座飞行在高空的天文台,全称“同温层红外线天文台”(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy),据英文首字母缩写,又称SOFIA

29日凌晨,SOFIA天文台飞回了棕榈谷,在它出发的同一条跑道上平稳降落,结束了这一夜长达近8小时的观测飞行。

同时终结的,还有这架波音747飞机的飞行生涯

那么,为什么要花11亿美元把这架波音747改造成空中天文台,又为什么要在它的设计寿命还没有走完一半的今天就让它提前12年退休呢?

这一切,还要从SOFIA观测的红外线讲起。

红外线

众所周知,光是电磁波。人眼能看见的光,是电磁波中的一段,称为可见光。比可见光波长再长一些的电磁波,称为红外线。

有温度的物体,包括宇宙中的天体,都会发出红外线。这些红外线里包含很多天体的物理化学信息,而且相比于可见光,红外线的穿透性更强,可以穿透厚厚的尘埃,让人类有机会观测更加遥远的天体。

天体会发出各种电磁波,可见光只是其中很窄的一部分。为了接收其他波长的电磁波,天文学家建造了不同的观测设施,SOFIA就是其中之一,有能力在高空观测来自宇宙的红外线 | NASA/STScI

天体会发出各种电磁波,可见光只是其中很窄的一部分。为了接收其他波长的电磁波,天文学家建造了不同的观测设施,SOFIA就是其中之一,有能力在高空观测来自宇宙的红外线 | NASA/STScI

然而,由于地球大气中的水汽也在发出红外线,地面望远镜在观测红外波段时会受到很大的干扰。大部分望远镜都选择建造在高海拔山峰上,因为高海拔的大气中水汽含量较少。

世界上比较著名的天文台址,像是美国的莫纳克亚山、智利的阿塔卡马沙漠、西班牙的加那利群岛,以及我们中国的青海冷湖、西藏阿里,都是高海拔且空气干燥的天文台台址。

不过就算是在海拔3000多米的地方,大气中水汽的影响还是很严重。于是,还有一种做法是把望远镜搬到太空,就像哈勃太空望远镜和詹姆斯韦布太空望远镜一样。但那样做成本又太高,而且望远镜打上去,万一坏了,可就不好修了。

把望远镜搬到飞机上

有天文学家想出了个主意,既然大气中的红外辐射主要是由水汽产生的,几千米的海拔又不足以避开这些水汽,那我们直接把望远镜搬上飞机,飞到没什么水汽的万米高空观测,不就行了?毕竟买个飞机可比造个空间望远镜便宜多了,还不用担心光污染问题。

SOFIA就是在这种情况下催生出来的。

柯伊伯机载天文台 | NASA

柯伊伯机载天文台 | NASA

其实早在1974年,柯伊伯机载天文台就已经做到将一台口径1米的望远镜放到C-141喷气式运输机上了。柯伊伯机载天文台发现了冥王星的大气层和天王星的光环,可谓是物有所值。

SOFIA更进了一步,将望远镜的口径扩大到了接近2.5米,并放在波音747里飞到12000米高空进行天文观测。在这个高度上,天文台可以避开大气中99%的水汽,借助不同的相机和光谱仪来观测波长在0.3到1600微米之间的红外光信号。

SOFIA天文台口径2.5米望远镜的特写 | NASA/Tom Tschida

SOFIA天文台口径2.5米望远镜的特写 | NASA/Tom Tschida

飞机上多抖啊

飞机上那么抖,还要在侧面开个口,那望远镜不得晃来晃去的吗?

没错,震动问题确实是SOFIA要面对的一个大问题。科学家想要确保望远镜的指向一直保持稳定,就得将望远镜系统调到非常完美的平衡。将系统的平衡调好了,大部分震动就都是小问题。

望远镜结构示意图 | DOI:10.1088/2041-8205/749/2/L17

望远镜结构示意图 | DOI:10.1088/2041-8205/749/2/L17

SOFIA的望远镜可以分为3个部分:中间的支撑结构,左边的后端仪器,以及右边的望远镜本体。

中间的支撑结构是望远镜唯一与飞机相连的地方,飞机上的震动只能通过这个结构传到望远镜上。这个支撑结构由许多轴承组成,可活动且阻尼非常小,这意味着望远镜可以在上面随意转动。我们甚至可以用单手推动这个17吨重的望远镜。

技术人员只要通过加减配重来保持左右两端完美的平衡,那么飞机带给望远镜的就只有上下左右的位移。望远镜不会受到飞机旋转和扭力带来的影响,能通过自身惯性来被动地保持非常完美的指向稳定性

SOFIA天文台的舱内视角 | NASA

SOFIA天文台的舱内视角 | NASA

要知道,望远镜观测的都是离我们非常非常远的宇宙天体,只要望远镜的指向是稳定的,其它上下左右的位移都不会对照片/数据带来影响。

SOFIA都研究过什么

SOFIA与韦布望远镜都工作在红外波段,不同之处在于SOFIA能观测的波长范围更大。韦布望远镜的观测波长在0.6微米到30微米之间,但SOFIA能看到波长1000微米的电磁波,这已经是远红外到亚毫米波段了。

在这个波段,天文学家能研究恒星诞生时的气体云、河外星系的磁场,甚至还能研究地球大气的成分。

猫爪星云 | NASA/JPL-Caltech;左插图:De Buizer et al. 2000;右插图:Hunter et al. 2021

猫爪星云 | NASA/JPL-Caltech;左插图:De Buizer et al. 2000;右插图:Hunter et al. 2021

上图是斯皮策太空望远镜拍摄的猫爪星云(NGC 6334),银河系内的一个恒星形成区。贯穿星云中间的黑丝是一个有着特别密集的气体和尘埃的区域。

插入的图片是CTIO望远镜(左)和SOFIA(右)观测的一块区域,可以看到1998年时那块区域还什么都没有,但是到了2019年,SOFIA观测的照片里突然多了一个亮斑。

这是一颗处在胚胎阶段的恒星发生的一场大爆发,亮度相当于5000个太阳。

雪茄星系M82里的磁场 | NASA, SOFIA, L. PROUDFIT

雪茄星系M82里的磁场 | NASA, SOFIA, L. PROUDFIT

这是哈勃望远镜拍摄的M82雪茄星系与SOFIA观测的M82磁场的合成图。

白色线条就是SOFIA的偏振观测结果,可以看到巨大的星际磁场从星系的中央黑洞一直延伸到几十万光年以外。研究者认为星系的物质外流对星际磁场的分布有一定的影响。

欧米茄星云M17 | NASA/SOFIA/Lim, De Buizer, & Radomski et al.; ESA/Herschel; NASA/JPL-Caltech

欧米茄星云M17 | NASA/SOFIA/Lim, De Buizer, & Radomski et al.; ESA/Herschel; NASA/JPL-Caltech

SOFIA还在欧米茄星云(M17)的极端环境中观测到深埋在气体和尘埃之中的大质量年轻恒星类天体,并测得了它们的物理特性。

M17是银河系中大约50个巨型氢II区中离我们最近的一个,距离太阳大约6500光年。中央的星团是100多颗大质量恒星的家园,它们发出的强劲星光形成了巨型氢II区,并可能引发新一代的恒星形成。

SOFIA提供了这个区域有史以来最清晰的中红外图像。这项研究首次揭示出了其中的一些天体,并为整个星云的演化历史提供了重要线索。

锁眼星云,SOFIA揭示了其中的磁场分布 | NASA/SOFIA

锁眼星云,SOFIA揭示了其中的磁场分布 | NASA/SOFIA

半人马座A星系,SOFIA揭示了其中的磁场分布 | NASA/SOFIA

半人马座A星系,SOFIA揭示了其中的磁场分布 | NASA/SOFIA

恒星形成区W51A,SOFIA拍摄了图中的中红外影像 | NASA/SOFIA

恒星形成区W51A,SOFIA拍摄了图中的中红外影像 | NASA/SOFIA

银河系中心,SOFIA拍摄了图中的中红外影像 | NASA/SOFIA

银河系中心,SOFIA拍摄了图中的中红外影像 | NASA/SOFIA

在SOFIA的官网上,还能找到许多它参与观测或者拍摄过的美丽天体,就不一一详细再作介绍了。

除了遥远的天体以外,SOFIA还在月球上观测到了水分子的存在,测量了地球高层大气氧分子的含量,为气候变化模型作出了贡献。

空基天文台的未来

尽管SOFIA拥有独一无二的红外线观测能力,并在天文学研究的诸多领域作出过不少发现,尽管它的设计寿命长达20年、至今仅全面服役了8年,但美国航空航天局(NASA)和德国宇航中心(DLR)还是决定让它提前退役。

主要原因在于,SOFIA的日常开销实在太贵了。

NASA表示,SOFIA每年的运营成本约为8500万美元,几乎和哈勃空间望远镜的运营费用相当。但与哈勃望远镜相比,SOFIA却没有产出同样大量的研究成果

在SOFIA全面服役的头6年里,天文学家利用它的观测成果只发表了178篇论文,而哈勃望远镜运行6年发表的论文超了900篇。

虽然SOFIA团队后来更换了新的项目主管,也更加重视望远镜的科学产出,但最终SOFIA还是没能通过专家委员会的评审,不得不提前12年退出了NASA现役天文台的行列。

晨光中完成最后一飞的SOFIA | NASA

晨光中完成最后一飞的SOFIA | NASA

完成最后一飞的SOFIA,如今静静停靠在美国空军第42厂的停机坪上。或许有朝一日,它会成为博物馆中的展品供来访者参观,但它再也没机会重返蓝天了。

但空中天文台的梦想,不会止步于此。

科学家已经把目光转向了现代的高科技飞艇。飞行时间长,稳定性也好,最重要的是够便宜。一个装有半米口径的飞艇,总预算只有1000万美元左右,远远小于动辄几十亿的空间望远镜,但在万米高空却能提供与哈勃太空望远镜相近的观测能力。

希望这个构想能在不久的将来实现,而不是停留在脑洞这一步。

作者:马门溪龙饲养员

编辑:Steed

封面图来源:NASA/Jim Ross

一个AI

100亿美元的韦布望远镜,倒是没看见NASA嫌它贵嘛……

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