【飛翔在平流層中的“索菲婭”】
作者: Shea
不要總以為空間天文學都需要用火箭來把望遠鏡送入太空，其實有時候一架飛機也能發揮意想不到的作用。
平流層紅外天文台，簡稱“索菲婭”（SOFIA），就是一個架設在波音747SP寬體飛機上的天文台，其中望遠鏡的口徑2.5米，重20噸。
“索菲婭”的飛行高度為大約1.2萬米，位于地球大氣中的平流層，因此得名。
如果能在今年或者明年正式投入科學運轉的話，它將成為世界上最大、最先進的機載天文台。
那麼，為什麼要把一架如此“笨重”的望遠鏡塞進飛機里呢？
這一切都要從210年前的一項發現說起。
[圖片說明]︰飛行中的“索菲婭”，其望遠鏡艙處于“大開”狀態。版權︰NASA。
以“紅外”之名
1800年，著名德裔英國天文學家威廉‧赫歇爾又在他“重要發現”的清單上添上了一筆。
和牛頓一樣，他用稜鏡將陽光分散成了彩虹一般的光譜。
但和牛頓不一樣的是，接下去他用溫度計測量了每種顏色的溫度。
事實上，在測量的過程中，赫歇爾使用了三個溫度計，其中一個用于對光譜進行測量，另外兩個則置于光譜之外用作對照。
當他測量紫色、藍色、綠色、黃色、橙色和紅色光的時候，他注意到所有顏色的溫度都要高于對照溫度，並且從紫到紅溫度還在升高。
于是，他決定測量光譜中紅色區域之外“空無一物”地方的溫度。讓他驚訝的是，這一區域的溫度甚至比紅色的還要高。
赫歇爾把這部分位于光譜中紅色區域之外的輻射稱為“熱射線”，他通過進一步的實驗發現“熱射線”可以像可見光一樣反射、折射、吸收和發射。
後來，根據它在光譜中的位置，“熱射線”被重新命名為了“紅外線”或者“紅外輻射”。
赫歇爾這一實驗的重要性並不僅僅在于發現了紅外線，更重要的是這是第一次發現了人類肉眼看不到的輻射形式，它同時還為日後的天文學研究打開了一扇新的窗口。
紅外天文學的目的就是探測和研究宇宙中的天體所發出的紅外輻射。
紅外輻射的波長為1～1,000微米（1毫米），物體中原子和分子的熱運動所產生的輻射是它的主要來源——溫度在3到3,000開的物體都會發出峰值在這一波段的輻射。
而天文學家目前最為關心的諸多天文過程也都會牽涉到紅外輻射，例如早期宇宙中的星系，銀河系和河外星系中的恆星形成，恆星周圍的原行星盤以及其中的行星形成，生命前驅分子和化合物的形成與演化，行星大氣、光環以及彗星的組成和結構等。
[圖片說明]︰在紅外波段下物體會呈現出與可見光下不同的形態。
不同物體的紅外像也千差萬別，這里給出了溫血動物和冷血動物的比較。版權︰NASA/Tom Tschida。
在觸及如此之多誘人領域的同時，紅外也有其本身的局限性。
因為地球大氣層中的水汽和二氧化碳會吸收掉天體所發出的絕大部分紅外輻射。
只有在極窄的波段內，紅外線才能穿透（或者部分穿透）大氣到達地面。
除了吸收之外，地球大氣還會造成另外一個惱人的問題。
它自身會發射出很強的紅外輻射，而且在通常情況下比來自天體的紅外輻射還要強得多。
因此為了能在地面上進行紅外觀測，天文台通常都會選擇建在干燥的高山上。
但即便如此，絕大部分的紅外輻射還是會被擋在地球大氣之外。
于是為了擺脫大氣的干擾，就必須把望遠鏡送入太空。
但目前空間望遠鏡的弱點是口徑不能做得很大，例如美國宇航局斯皮策空間望遠鏡的口徑僅為0.85米。
或者，雖然歐洲空間局赫歇爾空間天文台的口徑達到了驚人的3.5米，但13億歐元的成本也同樣駭人。
做為地面和空間紅外觀測能力的補充，“物美價廉”的“索菲婭”（耗資大約3.3億美元）就此應運而生。
它的飛行高度使得它可以遠離地球大氣中99%會阻礙觀測的水汽，在整個紅外波段的覆蓋率也可以達到85%。
除了這一優勢之外，“索菲婭”可以飛臨地球表面任何一點上空的機動性則是它的另一賣點，因為它擁有一對實實在在的翅膀。
飛行器上的天文夢
機載天文學的歷史其實可以追溯到航空史的早期，20世紀20、30年代在雙翼飛機上進行了首批機載天文觀測。
1923年9月10日美國海軍進行了首次機載天文學嘗試。當天共出動了15架雙翼飛機，其目的是從空中確定日全食的中心線。
飛行員攜帶了一些常用的照相設備，拍攝了30張照片，但沒有一張拍攝到了日食。雖然出師未捷，但著實引起了媒體和大眾對機載天文學的興趣和支持。
在上個世紀60年代之前，對日全食的觀測成為了機載天文學的核心內容。
飛機的機動性使得觀測設備擺脫了天氣因素的干擾，並且可以追隨著月亮長時間地對日全食進行觀測。
到60年代中期，由于新的紅外傳感器的問世，紅外天文學開始蓬勃發展，機載天文學也出現了變化。
飛機所能飛到的高海拔以及當地低溫、干燥的大氣環境，使得飛機在紅外天文學中的作用受到了重視。
再加上50年代噴氣式飛機的普及和尖端望遠鏡技術的發展，機載天文學快速擴張到了這一新的領域，形成了現如今機載天文學的雛形。
1964年美國宇航局購買了一架康維爾990飛機用作空中科學平台。它的首個空中任務是發生在1965年5月30日的日全食。1967年至1969年間天文學家又以此為平台進行了多次紅外觀測，其中對金星的近紅外分光觀測證明它的雲層並非是由原先所認為的水構成的。
[圖片說明]︰“索菲婭”望遠鏡艙的特寫。
版權︰NASA/Tom Tschida。
1968年一架用于紅外觀測的30厘米望遠鏡被安裝到了美國宇航局里爾噴氣機的全開放艙體中。
它首次測量了木星和土星的內部能量，對獵戶星雲進行了紅外觀測，研究了恆星形成區和銀河系中心的紅外源。
1974年美國宇航局以C-141運輸機為平台的柯伊伯機載天文台問世，它可以搭載大約20名科學家滯空7.5小時。
在服役的21年里，柯伊伯機載天文台取得了豐碩了成果︰發現了天王星的光環，探測到了彗星中的水汽，發現了冥王星的大氣，研究了超新星1987A的結構和演化、銀心的塵埃和氣體分布、星際介質中受激氣體的輻射以及形成恆星的星雲的結構等。
此外它還幫助研發了新的儀器和技術，訓練了年輕科學家並且為美國中、小學科學教師提供了飛行機會。
現在歷史又從“柯伊伯”傳承到了“索菲婭”，後者具有更為絢爛的科學前景。
而它20年的工作壽命更是讓那些“短命”的紅外空間望遠鏡相形見絀。在它所能觀測的目標中，小到星際塵埃、大到恆星乃至星系無所不包，但最吸引人的還是它能揭開行星形成的秘密。
遠觀行星的誕生
雖然銀河系中充滿了各式各樣的行星系統，但天文學家並不知道它們到底是如何形成的。
這是因為普通的望遠鏡無法看穿孕育行星的巨大而稠密的星雲。不過工作在紅外波段的“索菲婭”可以撥開雲霧直擊它們的形成過程——揭示出分子是如何聚合成行星的整個過程。
更具體地，“索菲婭”的觀測能幫助天文學家確定“行星雪線”的位置。
在年輕恆星周圍的氣體、塵埃盤中，位于雪線以外的水會凝固成冰。
由于雪線周圍非常適合冰塊和岩石的聚集，因此大質量的行星核會通過類似滾雪球的方式在那里形成。
一旦形成了一個足夠大的核，它的引力就會強到能夠俘獲氣體，氫分子和氦分子就會向它聚攏。
最終它們會長成類似木星和土星的氣態巨行星，如若不然它們則會成為較小的岩質或者冰質行星。
[圖片說明]︰“恆星周圍形成行星的原行星盤的想象畫。
版權︰NASA/JPL-Caltech。
此外，“索菲婭”還能在原行星盤中確定出氧、甲烷和二氧化碳等這些物質的位置。
了解這些物質的位置就能為它們是如何聚合到一起的提供線索，由此就能反映出行星是如何形成的。
雖然前景誘人，但“不積跬步，無以至千里”。
在2009年行將結束前“索菲婭”向前又邁出了重要的一步。
“開艙”試飛
2009年12月18日，“索菲婭”進行了測試飛行。
飛行持續時間1小時19分鐘，其中有2分鐘望遠鏡所在的艙門處于完全開啟的狀態。
其目的是使得工程師能夠了解望遠內部以及周圍空氣的流動情況。
這是第一次“索菲婭”在飛行過程中將2.5米紅外望遠鏡的艙門完全打開，使之整個暴露在空氣之中。
這也是證明其可行性的重要一步。
除了針對飛機的測試飛行之外，2010年春季還將進行兩次針對望遠鏡觀測能力的測試飛行。
在屆時的白天飛行中，會對望遠鏡的震動隔離系統、內部穩定系統和指向控制系統進行測試。
這些飛行的目的是為望遠鏡的首次工作飛行做好準備。
這一工作飛行將是科學家們第一次正式使用這架望遠鏡並且對“索菲婭”的表現進行評估。
做為一個美國宇航局和德國航天中心的聯合項目，“索菲婭”早在2004年其望遠鏡便進行了首次地面測試，但之後不到兩年即被“叫停待審”。
所幸在隨後4個月的時間里它通過了美國宇航局的評估，得以繼續。
從經驗來看，但凡歷經坎坷的望遠鏡都能被載入史冊，而本身就非常特殊的它也許也不會例外，因為它是飛翔在平流層中的“索菲婭”。
“索菲婭”進行首次觀測
[圖片說明]︰可見光（左）和“索菲婭”在紅外波段下拍攝的木星。
版權︰可見光︰A. Wesley；紅外︰NASA/USRA/L-3 Communications Integrated Systems。
2010年5月26日“索菲婭”進行了首次飛行中夜間觀測，由此也開啟了它20年的科學之旅，將為天文學帶來許多新的變化。
此次飛行持續了6個小時，飛行高度10700米。機組成員包括了由科學家、天文學家、工程師和技術人員組成的共10人。
在計劃初期，風洞測試和超級計算機計算顯示“索菲婭”會取得可用于前沿天文學研究的銳利圖像。
對首次觀測數據的初步分析證實了這一點。在整個飛行觀測的過程中，這架由德國制造的望遠鏡的穩定性和指向精度達到甚至超出了工程師和天文學家的預期。
當晚的最重要成就來自天文學家使用“索菲婭”對木星所進行的觀測。
由觀測數據生成的圖像顯示了從木星的核心通過雲洞向外散發出的熱量，這一熱量被認為是自木星形成之日起就殘留下來的。
（正文已刊載于《新知客》2010年第3期、插頁已刊載于《天文愛好者》2010年第7期）
引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_1472.html
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