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万米高空俯瞰红外线下的宇宙
来源:     作者:      2016-10-08 13:19       

 

机载天文台

美国西雅图当地时间8月30日上午,传奇的波音工程师、“747之父”乔·萨特去世。几乎就在同一天,美国有线电视新闻网刊登了一篇介绍世界最大飞行天文台的文章,其载机便是波音747。

由747负载的天文台是“同温层红外天文台”索菲亚,(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,简称SOFIA),是目前世界上唯一的飞行红外天文实验室。美国宇航局之所以让天文台与747“合作”,也是因为其过硬的条件,可以负载这“沉重又甜蜜”的负担。

令人“艳羡”的机载天文台

索菲亚项目源自1996年,是美国宇航局与德国宇航中心联手合作的项目。与之配合的是稀有的飞机型号—波音747SP。在总共制造的超过1500架波音747飞机中,只有45架SP型,目前仍能飞行的不超过5架。

747SP中SP是“特殊性能”(Special Performance)的缩写,为了应对超长程飞行而将机身缩短,降低阻力,进而延长最大航程的机种。

“据我所知,SOFIA是目前唯一使用的机载天文台。其他天文望远镜要么是建在地面上,要么在空间。偶尔发火箭或高空气球做些实验和观测。”中国科学院紫金天文台研究员郑宪忠告诉《中国科学报》记者。

在索菲亚之前,美国使用的是一架由C-14改装的柯伊伯(Kuiper Airborne Observatory,简称KAO)机载天文台,可以在12500米从事天文观测。1995年,柯伊伯正式退役,索菲亚才接替了它的工作。

机载天文台之所以稀有,与其技术层面的高要求密不可分。2013年,美国宇航局公布了索菲亚的一些数据。天文台本身就重达20吨,主镜的直径为2.5米,比哈勃太空望远镜更大。要搭载这样的“大家伙”,对飞机本身要求就比较高。

其次,为了更好地观测,美国宇航局在波音747SP的机身打开了一个约4.3米宽,5.7米长的天窗。更让人难以想象的是,当飞机在高空飞行以100~250英里/小时速度行驶时,科研人员要将天窗完全敞开,才能进行观测。

NASA德莱顿飞行研究中心的SOFIA项目经理鲍勃·迈耶曾经在索菲亚公开测试时对媒体说:“这是第一次在飞行中完全打开舱门。我们希望搞清楚,舱门打开会不会影响飞行和飞机的操纵,或者在望远镜舱中导致声学共振,要不就是因为风力搞丢舱内的什么东西。”

台湾大学天文物理学教授孙维新在接受《中国科学报》记者采访时进一步解释说,在高空飞行时,打开机舱对于飞机来讲是一种考验,对于观测来讲同样也是。因为高空气流不稳,面对气流颠簸如何保持机身的稳定,保证观测效果也是巨大的考验。应对考验的背后是斥巨资的研究,“机载天文台比地面天台的成本高得多,但是比卫星的成本低。”孙维新介绍说。

看不一样的宇宙

既然地面可以建天文台,那么为何还要舍易求难,选择在高空观测呢?要回答这个问题并不难,首先要先来了解在不同光线中天文观测的差异。

光是什么,大部分人想到的都是眼睛看到的可见光,却往往忽略了除了可见光之外,我们身边还有紫外线、红外线等人类肉眼看不到的不可见光。

在浩渺的宇宙中充斥着电磁辐射,这些电磁辐射包括原初起源的宇宙微波背景,以及来自宇宙内所有天体贡献的辐射,包括X射线、紫外、光学、近红外、远红外、射电波段的电磁辐射。“天体辐射的能量大致一半是在紫外光到近红外,另一半在远红外波段。前者主要是近邻和遥远星系中的恒星辐射贡献的,后者主要是恒星周围的尘埃吸收恒星的紫外光学辐射,再转移至远红外辐射贡献的。这些尘埃的温度通常比较低,其热辐射的峰值即在远红外。当然,还有活动星系核等对电磁辐射有贡献。”郑宪忠解释道。

简单来说,在可见光窗口,科研人员观测到的是像太阳、织女星这样的温度在数千度的恒星的辐射,而在红外线条件下,科研人员则可以观测温度非常低的天体。“远红外探测,一方面可以观测研究宇宙中的低温天体辐射特征和规律;另一方面,远红外辐射可以不受尘埃消光影响,而探测到被尘埃气体云深埋的天体,研究其物理特征和相关物理过程。”郑宪忠解释道。

孙维新则更形象地比喻道:“在可见光下,人们看到的太阳的是温暖的、和善的,但是在紫外线下看到的太阳喷发着呼啸着,是个暴力的天体。所以同一天体在不同波段下观测会有区别。”

所以,索菲亚的观测行程包括,研究银河中的恒星形成、确定星际介质的化学成分,以及观察位于银河系中心的隐藏黑洞的尘埃。著名的柯伊伯机载天文台的飞行高度也曾用于观测天王星掩星,当超新星1987A爆炸后,科学家也利用它追踪铁、钴、镍等重元素的核聚变过程。

朝发夕至的工作

因为要进行天文观测,所以索菲亚的工作时间也集中在夜晚,因此得名“喷气吸血鬼”。

每一次执行任务时,波音747SP载着索菲亚会在日落前从美国本土的一处机场起飞,经过一夜的观测后于天亮时降落在墨西哥的另一处机场,直到黑夜再次降临时返航。“现在,科学家们依然不断申请项目,期望可以使用索菲亚进行观测。”孙维新说。

2011年6月23日,为了利用冥王星遮掩遥远恒星的影子观测冥王星大气层,索菲亚天文台一飞冲天,飞行超过2900千米,在太平洋上空,抵达了这一阴影轨迹的中央,并且追随冥王星的阴影观测了许久,由此成为唯一能做到这一点的天文台。

不过,因为技术等原因,机载天文台无法普及,更多的国家依然采用高纬度的天文望远镜弥补红外观测的空白。

郑宪忠就介绍说,目前,南极冰穹A已经被证实是地球上已知的大气最干燥的地方,水汽含量极其低,在远红外的250微米和350微米窗口可以开展天文观测。“列入国家重大科技基础设施‘十二五’规划的中国南极昆仑站天文台的5米太赫兹望远镜,就是利用这一独特优势,开展远红外天文观测的望远镜,这是其他的天文观测台站不能比拟的。”