飞翔在平流层中的“索菲娅”
作者：Shea
共 10 张图片
不要总以为空间天文学都需要用火箭来把望远镜送入太空，其实有时候一架飞机也能发挥意想不到的作用。 平流层红外天文台，简称“索菲娅”（SOFIA），就是一个架设在波音747SP宽体飞机上的天文台，其中望远镜的口径2.5... 全文↓
作者：Shea | 来自：科学松鼠会
不要总以为空间天文学都需要用火箭来把望远镜送入太空，其实有时候一架飞机也能发挥意想不到的作用。
平流层红外天文台，简称“索菲娅”（SOFIA），就是一个架设在波音747SP宽体飞机上的天文台，其中望远镜的口径2.5米，重20吨。“索菲娅”的飞行高度为大约1.2万米，位于地球大气中的平流层，因此得名。如果能在今年或者明年正式投入科学运转的话，它将成为世界上最大、最先进的机载天文台。
那么，为什么要把一架如此“笨重”的望远镜塞进飞机里呢？这一切都要从210年前的一项发现说起。
[图片说明]：飞行中的“索菲娅”，其望远镜舱处于“大开”状态。版权：NASA。
以“红外”之名
1800年，著名德裔英国天文学家威廉·赫歇尔又在他“重要发现”的清单上添上了一笔。
和牛顿一样，他用棱镜将阳光分散成了彩虹一般的光谱。但和牛顿不一样的是，接下去他用温度计测量了每种颜色的温度。事实上，在测量的过程中，赫歇尔使用了三个温度计，其中一个用于对光谱进行测量，另外两个则置于光谱之外用作对照。当他测量紫色、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色光的时候，他注意到所有颜色的温度都要高于对照温度，并且从紫到红温度还在升高。于是，他决定测量光谱中红色区域之外“空无一物”地方的温度。让他惊讶的是，这一区域的温度甚至比红色的还要高。
赫歇尔把这部分位于光谱中红色区域之外的辐射称为“热射线”，他通过进一步的实验发现“热射线”可以像可见光一样反射、折射、吸收和发射。后来，根据它在光谱中的位置，“热射线”被重新命名为了“红外线”或者“红外辐射”。赫歇尔这一实验的重要性并不仅仅在于发现了红外线，更重要的是这是第一次发现了人类肉眼看不到的辐射形式，它同时还为日后的天文学研究打开了一扇新的窗口。
红外天文学的目的就是探测和研究宇宙中的天体所发出的红外辐射。红外辐射的波长为1～1,000微米（1毫米），物体中原子和分子的热运动所产生的辐射是它的主要来源——温度在3到3,000开的物体都会发出峰值在这一波段的辐射。而天文学家目前最为关心的诸多天文过程也都会牵涉到红外辐射，例如早期宇宙中的星系，银河系和河外星系中的恒星形成，恒星周围的原行星盘以及其中的行星形成，生命前驱分子和化合物的形成与演化，行星大气、光环以及彗星的组成和结构等。
[图片说明]：在红外波段下物体会呈现出与可见光下不同的形态。不同物体的红外像也千差万别，这里给出了温血动物和冷血动物的比较。版权：NASA/Tom Tschida。
在触及如此之多诱人领域的同时，红外也有其本身的局限性。因为地球大气层中的水汽和二氧化碳会吸收掉天体所发出的绝大部分红外辐射。只有在极窄的波段内，红外线才能穿透（或者部分穿透）大气到达地面。除了吸收之外，地球大气还会造成另外一个恼人的问题。它自身会发射出很强的红外辐射，而且在通常情况下比来自天体的红外辐射还要强得多。
因此为了能在地面上进行红外观测，天文台通常都会选择建在干燥的高山上。但即便如此，绝大部分的红外辐射还是会被挡在地球大气之外。于是为了摆脱大气的干扰，就必须把望远镜送入太空。但目前空间望远镜的弱点是口径不能做得很大，例如美国宇航局斯皮策空间望远镜的口径仅为0.85米。或者，虽然欧洲空间局赫歇尔空间天文台的口径达到了惊人的3.5米，但13亿欧元的成本也同样骇人。
做为地面和空间红外观测能力的补充，“物美价廉”的“索菲娅”（耗资大约3.3亿美元）就此应运而生。它的飞行高度使得它可以远离地球大气中99%会阻碍观测的水汽，在整个红外波段的覆盖率也可以达到85%。
除了这一优势之外，“索菲娅”可以飞临地球表面任何一点上空的机动性则是它的另一卖点，因为它拥有一对实实在在的翅膀。
飞行器上的天文梦
机载天文学的历史其实可以追溯到航空史的早期，20世纪20、30年代在双翼飞机上进行了首批机载天文观测。1923年9月10日美国海军进行了首次机载天文学尝试。当天共出动了15架双翼飞机，其目的是从空中确定日全食的中心线。飞行员携带了一些常用的照相设备，拍摄了30张照片，但没有一张拍摄到了日食。虽然出师未捷，但着实引起了媒体和大众对机载天文学的兴趣和支持。
在上个世纪60年代之前，对日全食的观测成为了机载天文学的核心内容。飞机的机动性使得观测设备摆脱了天气因素的干扰，并且可以追随着月亮长时间地对日全食进行观测。
到60年代中期，由于新的红外传感器的问世，红外天文学开始蓬勃发展，机载天文学也出现了变化。飞机所能飞到的高海拔以及当地低温、干燥的大气环境，使得飞机在红外天文学中的作用受到了重视。再加上50年代喷气式飞机的普及和尖端望远镜技术的发展，机载天文学快速扩张到了这一新的领域，形成了现如今机载天文学的雏形。
1964年美国宇航局购买了一架康维尔990飞机用作空中科学平台。它的首个空中任务是发生在1965年5月30日的日全食。1967年至1969年间天文学家又以此为平台进行了多次红外观测，其中对金星的近红外分光观测证明它的云层并非是由原先所认为的水构成的。
[图片说明]：“索菲娅”望远镜舱的特写。版权：NASA/Tom Tschida。
1968年一架用于红外观测的30厘米望远镜被安装到了美国宇航局里尔喷气机的全开放舱体中。它首次测量了木星和土星的内部能量，对猎户星云进行了红外观测，研究了恒星形成区和银河系中心的红外源。
1974年美国宇航局以C-141运输机为平台的柯伊伯机载天文台问世，它可以搭载大约20名科学家滞空7.5小时。在服役的21年里，柯伊伯机载天文台取得了丰硕了成果：发现了天王星的光环，探测到了彗星中的水汽，发现了冥王星的大气，研究了超新星1987A的结构和演化、银心的尘埃和气体分布、星际介质中受激气体的辐射以及形成恒星的星云的结构等。此外它还帮助研发了新的仪器和技术，训练了年轻科学家并且为美国中、小学科学教师提供了飞行机会。
现在历史又从“柯伊伯”传承到了“索菲娅”，后者具有更为绚烂的科学前景。而它20年的工作寿命更是让那些“短命”的红外空间望远镜相形见绌。在它所能观测的目标中，小到星际尘埃、大到恒星乃至星系无所不包，但最吸引人的还是它能揭开行星形成的秘密。
远观行星的诞生
虽然银河系中充满了各式各样的行星系统，但天文学家并不知道它们到底是如何形成的。这是因为普通的望远镜无法看穿孕育行星的巨大而稠密的星云。不过工作在红外波段的“索菲娅”可以拨开云雾直击它们的形成过程——揭示出分子是如何聚合成行星的整个过程。
更具体地，“索菲娅”的观测能帮助天文学家确定“行星雪线”的位置。在年轻恒星周围的气体、尘埃盘中，位于雪线以外的水会凝固成冰。由于雪线周围非常适合冰块和岩石的聚集，因此大质量的行星核会通过类似滚雪球的方式在那里形成。一旦形成了一个足够大的核，它的引力就会强到能够俘获气体，氢分子和氦分子就会向它聚拢。最终它们会长成类似木星和土星的气态巨行星，如若不然它们则会成为较小的岩质或者冰质行星。
[图片说明]：“恒星周围形成行星的原行星盘的想象画。版权：NASA/JPL-Caltech。
此外，“索菲娅”还能在原行星盘中确定出氧、甲烷和二氧化碳等这些物质的位置。了解这些物质的位置就能为它们是如何聚合到一起的提供线索，由此就能反映出行星是如何形成的。
虽然前景诱人，但“不积跬步，无以至千里”。在2009年行将结束前“索菲娅”向前又迈出了重要的一步。
“开舱”试飞
2009年12月18日，“索菲娅”进行了测试飞行。飞行持续时间1小时19分钟，其中有2分钟望远镜所在的舱门处于完全开启的状态。其目的是使得工程师能够了解望远内部以及周围空气的流动情况。
这是第一次“索菲娅”在飞行过程中将2.5米红外望远镜的舱门完全打开，使之整个暴露在空气之中。这也是证明其可行性的重要一步。除了针对飞机的测试飞行之外，2010年春季还将进行两次针对望远镜观测能力的测试飞行。在届时的白天飞行中，会对望远镜的震动隔离系统、内部稳定系统和指向控制系统进行测试。这些飞行的目的是为望远镜的首次工作飞行做好准备。这一工作飞行将是科学家们第一次正式使用这架望远镜并且对“索菲娅”的表现进行评估。
做为一个美国宇航局和德国航天中心的联合项目，“索菲娅”早在2004年其望远镜便进行了首次地面测试，但之后不到两年即被“叫停待审”。所幸在随后4个月的时间里它通过了美国宇航局的评估，得以继续。从经验来看，但凡历经坎坷的望远镜都能被载入史册，而本身就非常特殊的它也许也不会例外，因为它是飞翔在平流层中的“索菲娅”。
“索菲娅”进行首次观测
[图片说明]：可见光（左）和“索菲娅”在红外波段下拍摄的木星。版权：可见光：A. Wesley；红外：NASA/USRA/L-3 Communications Integrated Systems。
2010年5月26日“索菲娅”进行了首次飞行中夜间观测，由此也开启了它20年的科学之旅，将为天文学带来许多新的变化。
此次飞行持续了6个小时，飞行高度10700米。机组成员包括了由科学家、天文学家、工程师和技术人员组成的共10人。
在计划初期，风洞测试和超级计算机计算显示“索菲娅”会取得可用于前沿天文学研究的锐利图像。对首次观测数据的初步分析证实了这一点。在整个飞行观测的过程中，这架由德国制造的望远镜的稳定性和指向精度达到甚至超出了工程师和天文学家的预期。
当晚的最重要成就来自天文学家使用“索菲娅”对木星所进行的观测。由观测数据生成的图像显示了从木星的核心通过云洞向外散发出的热量，这一热量被认为是自木星形成之日起就残留下来的。
（正文已刊载于《新知客》2010年第3期、插页已刊载于《天文爱好者》2010年第7期）
扩展阅读
斯皮策空间望远镜5年之科学成就2009年5月15日，美国宇航局的主力红外空间望远镜“斯皮策”终于耗尽了它最后一滴用于制冷的液氦，结束了为期五年的“低温”使命。让我们跟随它一起去探访那些宇宙隐藏的角落……
本文地址（转载请注明出处）： 复制
飞翔在平流层中的“索菲娅”
作者：Shea
共 10 张图片
不要总以为空间天文学都需要用火箭来把望远镜送入太空，其实有时候一架飞机也能发挥意想不到的作用。 平流层红外天文台，简称“索菲娅”（SOFIA），就是一个架设在波音747SP宽体飞机上的天文台，其中望远镜的口径2.5... 全文↓
作者：Shea | 来自：科学松鼠会
不要总以为空间天文学都需要用火箭来把望远镜送入太空，其实有时候一架飞机也能发挥意想不到的作用。
平流层红外天文台，简称“索菲娅”（SOFIA），就是一个架设在波音747SP宽体飞机上的天文台，其中望远镜的口径2.5米，重20吨。“索菲娅”的飞行高度为大约1.2万米，位于地球大气中的平流层，因此得名。如果能在今年或者明年正式投入科学运转的话，它将成为世界上最大、最先进的机载天文台。
那么，为什么要把一架如此“笨重”的望远镜塞进飞机里呢？这一切都要从210年前的一项发现说起。
[图片说明]：飞行中的“索菲娅”，其望远镜舱处于“大开”状态。版权：NASA。
以“红外”之名
1800年，著名德裔英国天文学家威廉·赫歇尔又在他“重要发现”的清单上添上了一笔。
和牛顿一样，他用棱镜将阳光分散成了彩虹一般的光谱。但和牛顿不一样的是，接下去他用温度计测量了每种颜色的温度。事实上，在测量的过程中，赫歇尔使用了三个温度计，其中一个用于对光谱进行测量，另外两个则置于光谱之外用作对照。当他测量紫色、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色光的时候，他注意到所有颜色的温度都要高于对照温度，并且从紫到红温度还在升高。于是，他决定测量光谱中红色区域之外“空无一物”地方的温度。让他惊讶的是，这一区域的温度甚至比红色的还要高。
赫歇尔把这部分位于光谱中红色区域之外的辐射称为“热射线”，他通过进一步的实验发现“热射线”可以像可见光一样反射、折射、吸收和发射。后来，根据它在光谱中的位置，“热射线”被重新命名为了“红外线”或者“红外辐射”。赫歇尔这一实验的重要性并不仅仅在于发现了红外线，更重要的是这是第一次发现了人类肉眼看不到的辐射形式，它同时还为日后的天文学研究打开了一扇新的窗口。
红外天文学的目的就是探测和研究宇宙中的天体所发出的红外辐射。红外辐射的波长为1～1,000微米（1毫米），物体中原子和分子的热运动所产生的辐射是它的主要来源——温度在3到3,000开的物体都会发出峰值在这一波段的辐射。而天文学家目前最为关心的诸多天文过程也都会牵涉到红外辐射，例如早期宇宙中的星系，银河系和河外星系中的恒星形成，恒星周围的原行星盘以及其中的行星形成，生命前驱分子和化合物的形成与演化，行星大气、光环以及彗星的组成和结构等。
[图片说明]：在红外波段下物体会呈现出与可见光下不同的形态。不同物体的红外像也千差万别，这里给出了温血动物和冷血动物的比较。版权：NASA/Tom Tschida。
在触及如此之多诱人领域的同时，红外也有其本身的局限性。因为地球大气层中的水汽和二氧化碳会吸收掉天体所发出的绝大部分红外辐射。只有在极窄的波段内，红外线才能穿透（或者部分穿透）大气到达地面。除了吸收之外，地球大气还会造成另外一个恼人的问题。它自身会发射出很强的红外辐射，而且在通常情况下比来自天体的红外辐射还要强得多。
因此为了能在地面上进行红外观测，天文台通常都会选择建在干燥的高山上。但即便如此，绝大部分的红外辐射还是会被挡在地球大气之外。于是为了摆脱大气的干扰，就必须把望远镜送入太空。但目前空间望远镜的弱点是口径不能做得很大，例如美国宇航局斯皮策空间望远镜的口径仅为0.85米。或者，虽然欧洲空间局赫歇尔空间天文台的口径达到了惊人的3.5米，但13亿欧元的成本也同样骇人。
做为地面和空间红外观测能力的补充，“物美价廉”的“索菲娅”（耗资大约3.3亿美元）就此应运而生。它的飞行高度使得它可以远离地球大气中99%会阻碍观测的水汽，在整个红外波段的覆盖率也可以达到85%。
除了这一优势之外，“索菲娅”可以飞临地球表面任何一点上空的机动性则是它的另一卖点，因为它拥有一对实实在在的翅膀。
飞行器上的天文梦
机载天文学的历史其实可以追溯到航空史的早期，20世纪20、30年代在双翼飞机上进行了首批机载天文观测。1923年9月10日美国海军进行了首次机载天文学尝试。当天共出动了15架双翼飞机，其目的是从空中确定日全食的中心线。飞行员携带了一些常用的照相设备，拍摄了30张照片，但没有一张拍摄到了日食。虽然出师未捷，但着实引起了媒体和大众对机载天文学的兴趣和支持。
在上个世纪60年代之前，对日全食的观测成为了机载天文学的核心内容。飞机的机动性使得观测设备摆脱了天气因素的干扰，并且可以追随着月亮长时间地对日全食进行观测。
到60年代中期，由于新的红外传感器的问世，红外天文学开始蓬勃发展，机载天文学也出现了变化。飞机所能飞到的高海拔以及当地低温、干燥的大气环境，使得飞机在红外天文学中的作用受到了重视。再加上50年代喷气式飞机的普及和尖端望远镜技术的发展，机载天文学快速扩张到了这一新的领域，形成了现如今机载天文学的雏形。
1964年美国宇航局购买了一架康维尔990飞机用作空中科学平台。它的首个空中任务是发生在1965年5月30日的日全食。1967年至1969年间天文学家又以此为平台进行了多次红外观测，其中对金星的近红外分光观测证明它的云层并非是由原先所认为的水构成的。
[图片说明]：“索菲娅”望远镜舱的特写。版权：NASA/Tom Tschida。
1968年一架用于红外观测的30厘米望远镜被安装到了美国宇航局里尔喷气机的全开放舱体中。它首次测量了木星和土星的内部能量，对猎户星云进行了红外观测，研究了恒星形成区和银河系中心的红外源。
1974年美国宇航局以C-141运输机为平台的柯伊伯机载天文台问世，它可以搭载大约20名科学家滞空7.5小时。在服役的21年里，柯伊伯机载天文台取得了丰硕了成果：发现了天王星的光环，探测到了彗星中的水汽，发现了冥王星的大气，研究了超新星1987A的结构和演化、银心的尘埃和气体分布、星际介质中受激气体的辐射以及形成恒星的星云的结构等。此外它还帮助研发了新的仪器和技术，训练了年轻科学家并且为美国中、小学科学教师提供了飞行机会。
现在历史又从“柯伊伯”传承到了“索菲娅”，后者具有更为绚烂的科学前景。而它20年的工作寿命更是让那些“短命”的红外空间望远镜相形见绌。在它所能观测的目标中，小到星际尘埃、大到恒星乃至星系无所不包，但最吸引人的还是它能揭开行星形成的秘密。
远观行星的诞生
虽然银河系中充满了各式各样的行星系统，但天文学家并不知道它们到底是如何形成的。这是因为普通的望远镜无法看穿孕育行星的巨大而稠密的星云。不过工作在红外波段的“索菲娅”可以拨开云雾直击它们的形成过程——揭示出分子是如何聚合成行星的整个过程。
更具体地，“索菲娅”的观测能帮助天文学家确定“行星雪线”的位置。在年轻恒星周围的气体、尘埃盘中，位于雪线以外的水会凝固成冰。由于雪线周围非常适合冰块和岩石的聚集，因此大质量的行星核会通过类似滚雪球的方式在那里形成。一旦形成了一个足够大的核，它的引力就会强到能够俘获气体，氢分子和氦分子就会向它聚拢。最终它们会长成类似木星和土星的气态巨行星，如若不然它们则会成为较小的岩质或者冰质行星。
[图片说明]：“恒星周围形成行星的原行星盘的想象画。版权：NASA/JPL-Caltech。
此外，“索菲娅”还能在原行星盘中确定出氧、甲烷和二氧化碳等这些物质的位置。了解这些物质的位置就能为它们是如何聚合到一起的提供线索，由此就能反映出行星是如何形成的。
虽然前景诱人，但“不积跬步，无以至千里”。在2009年行将结束前“索菲娅”向前又迈出了重要的一步。
“开舱”试飞
2009年12月18日，“索菲娅”进行了测试飞行。飞行持续时间1小时19分钟，其中有2分钟望远镜所在的舱门处于完全开启的状态。其目的是使得工程师能够了解望远内部以及周围空气的流动情况。
这是第一次“索菲娅”在飞行过程中将2.5米红外望远镜的舱门完全打开，使之整个暴露在空气之中。这也是证明其可行性的重要一步。除了针对飞机的测试飞行之外，2010年春季还将进行两次针对望远镜观测能力的测试飞行。在届时的白天飞行中，会对望远镜的震动隔离系统、内部稳定系统和指向控制系统进行测试。这些飞行的目的是为望远镜的首次工作飞行做好准备。这一工作飞行将是科学家们第一次正式使用这架望远镜并且对“索菲娅”的表现进行评估。
做为一个美国宇航局和德国航天中心的联合项目，“索菲娅”早在2004年其望远镜便进行了首次地面测试，但之后不到两年即被“叫停待审”。所幸在随后4个月的时间里它通过了美国宇航局的评估，得以继续。从经验来看，但凡历经坎坷的望远镜都能被载入史册，而本身就非常特殊的它也许也不会例外，因为它是飞翔在平流层中的“索菲娅”。
“索菲娅”进行首次观测
[图片说明]：可见光（左）和“索菲娅”在红外波段下拍摄的木星。版权：可见光：A. Wesley；红外：NASA/USRA/L-3 Communications Integrated Systems。
2010年5月26日“索菲娅”进行了首次飞行中夜间观测，由此也开启了它20年的科学之旅，将为天文学带来许多新的变化。
此次飞行持续了6个小时，飞行高度10700米。机组成员包括了由科学家、天文学家、工程师和技术人员组成的共10人。
在计划初期，风洞测试和超级计算机计算显示“索菲娅”会取得可用于前沿天文学研究的锐利图像。对首次观测数据的初步分析证实了这一点。在整个飞行观测的过程中，这架由德国制造的望远镜的稳定性和指向精度达到甚至超出了工程师和天文学家的预期。
当晚的最重要成就来自天文学家使用“索菲娅”对木星所进行的观测。由观测数据生成的图像显示了从木星的核心通过云洞向外散发出的热量，这一热量被认为是自木星形成之日起就残留下来的。
（正文已刊载于《新知客》2010年第3期、插页已刊载于《天文爱好者》2010年第7期）
扩展阅读
斯皮策空间望远镜5年之科学成就2009年5月15日，美国宇航局的主力红外空间望远镜“斯皮策”终于耗尽了它最后一滴用于制冷的液氦，结束了为期五年的“低温”使命。让我们跟随它一起去探访那些宇宙隐藏的角落……
本文地址（转载请注明出处）： 复制