2022年05月23日 11:00
【科學快訊】
NASA photo / Jim Ross
SOFIA望遠鏡曾確認月球上有水，但其科學產出被認為不能與運營成本相匹配，NASA和德國航空航天中心（DLR）決定讓它退役。今年9月30日後，人類將不再擁有大型機載天文台。
撰文 | 王昱
審校 | 白德凡
1995年12月，一架波音747SP退役了，它從1977年開始為美國泛美航空公司工作，在1986年被轉賣給美國聯合航空公司，機齡18年。大型客機的使用壽命一般在25~30年之間，退役後一般會被改造成貨機繼續使用。但這架客機卻並沒有等來物流公司的訂單，它的下一任雇主並不尋常——它被NASA買下了。1997年，NASA經過一系列手續買下了這架飛機，計劃給它裝上望遠鏡，將其改造成新一代機載紅外天文台——索菲亞平流層紅外天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）。
為什麼要大費周章把望遠鏡搬到飛機上？主要還是為了避開大氣層的幹擾。大氣層保護著地面上的生命，但它也阻擋了星光。海拔越高，大氣層厚度越薄，觀測受到的幹擾也就越少；海拔越高，大氣中的含水量就越低，對天文觀測（尤其是紅外）就越有利。這兩項指標正好和大多數生物的生存條件相反，可以說，優秀的天文台址一定是寸草不生的——去年發現的青海冷湖台址也是如此。天文學家一直想把望遠鏡送到盡可能高的地方，能高到太空裏自然是最好，但成本太高、風險太大。而大氣層內的氣球、飛機自然成了折中的選擇。
機載天文學
對於將望遠鏡搬到飛機上進行天文觀測這件事，NASA其實有著豐富的經驗。早在1963年，一群NASA艾姆斯研究中心的科學家就展開了一項觀測日食的冒險。他們登上一架道格拉斯DC-8，追著日食的路徑一路飛行，這大大延長了他們對日食的觀測時間。同時，高空大氣稀薄，散射較弱，日食時天空背景比地面上更暗，天文學家能在空中看到距離太陽更近的天體（在地面上它們被太陽的光亮遮擋住了）。總之，這是一次十分成功的觀測，讓NASA決定在這個技術路線上繼續探索。
NASA選中了康維爾990型客機，給它裝上望遠鏡改造成了伽利略機載天文台（Galileo Airborne Observatory）。這樣的天文台被制造了兩架，分別名為伽利略Ⅰ和伽利略Ⅱ。和之前的嘗試相比，伽利略機載天文台有了紅外觀測能力。但它的命運非常悲慘，1973年4月12日，伽利略Ⅰ在降落時和一架的美國海軍巡邏機相撞，兩架飛機共16人遇難，只有軍用飛機上的1人幸存。1985年7月17日，伽利略Ⅱ在起飛時爆胎，飛機停止起飛，但在隨後起火，整架飛機葬身火海，所有設備和文檔都被燒毀，所幸無人遇難。
1975年，柯伊伯機載天文台（Kuiper Airborne Observatory）投入運行，它由一架洛克希德C-141軍用戰略運輸機改裝而來，搭載了圖畫91.5厘米口徑的望遠鏡，觀測波段在1~500微米之間。它可以觀測太陽系、銀河系乃至銀河系外的天體，科學家甚至用它觀測過航天飛機重返大氣層時的隔熱罩。
索菲亞
1995年，柯伊伯機載天文台退役，它顯著的成果讓NASA決定「再來一票大的」。於是，1997年，NASA買下了那架波音747SP，拉上德國航空航天中心（DLR）一起，按照80%：20%的出資比例，修建SOFIA。而那架被買下的波音747SP，呼號從此也變成了NASA747。
SOFIA相關影像。視頻來源：SOFIA Science Center
建成後的SOFIA有效口徑可達2.5米，觀測波段在0.3~1600微米之間，為了隔絕飛行期間的震動，望遠鏡被安裝在飛機內的一個雲台上。運行過程中，它會先飛到11~14千米的高空，然後打開側蓋，將望遠鏡鏡面直接接觸高空的高速氣流。這時，它位於大氣層99%的水蒸氣上方，足以獲得理想的觀測質量。
SOFIA每次飛行將有8小時的觀測時間，每周可以飛行3次，預計有20年的壽命。它大部分時候部署在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心，有時也會被部署在德國、智利和新西蘭等地——後兩個國家是為了觀測只有能在南半球才能看到的天體。自2014年投入使用以來，它已經執行了800多次科學飛行任務。
作為目前地球上唯一的大型機載天文台，SOFIA的地位是獨一無二的，它也獲得了獨一無二的成果。2020年，它觀測了月球克拉維斯環形山上被陽光照射的部分，在其中檢測到了清晰的6微米紅外信號，結合之前的研究，科學家確認，只有月球上的水分子能釋放這樣的信號，這也是人類首次確認月球上有水。
高昂的支出
但是SOFIA的開銷也不容忽視。NASA表示SOFIA每年的運營成本約為8500萬美元，幾乎和哈勃空間望遠鏡的運營費用相當。就算SOFIA能用機翼掙脫地球引力飛上天空，也難以逃脫現實的引力——NASA開始懷疑SOFIA是否值得。2019年，兩項NASA委托的審查都強調，SOFIA並沒有產出大量高被引出版物。在運行的前6年，科學家只用它發表了178篇論文，而哈勃空間望遠鏡運行的6年間發表了900多篇論文。
作為回應，SOFIA項目換上了新的主管瑪格麗特·梅克斯納（Margaret Meixner），更加重視望遠鏡的科學產出。梅克斯納表示：「過去三年中SOFIA發生了巨大的變化。」SOFIA的論文產出率翻了一番，已經可以和歐洲航天局的赫歇爾空間天文台（Herschel Space Observatory）相媲美——這同樣是一個功勳卓著的紅外望遠鏡，不過相比於SOFIA，赫歇爾運行在太空中。
但最終，SOFIA還是沒能通過2020年美國天文學「十年調查」的評審。專家委員會認為SOFIA的科學產出不能和其運營成本相匹配，並且SOFIA和未來美國天文學界著重研究的方向重合不大。最終，NASA表示，SOFIA將在2022年9月30日之前停止運營。現實的引力太過沉重，設計壽命20年的SOFIA只能在8歲時匆匆著陸。
馬上，這架1977年首飛的波音747SP就會退休了。它的科學數據將會逐步公開，紅外天文學的使命也會由詹姆斯·韋布空間望遠鏡接手。
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