週一 · 知古通今 | 週二 · 牧夫專欄
週三 · 太空探索 |週四 · 觀測指南
週五 · 深空探測 |週六 · 茶餘星話 | 週日 · 視頻天象
翻譯：DAIKIN
校對：JackTong
排版：況宇庭
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦
原文鏈接：
https://www.space.com/sofia-observatory.html
飛行中的索菲亞，其主要設備外的艙門被打開
Image: © NASA/Jim Ross
索菲亞利用不同“色”的紅外光觀測星雲和星系。它不像一些地上的“親戚”那樣擁有超大鏡面，也不像斯皮策太空望遠鏡那樣自由自在，完全脫離地球大氣的束縛，但索菲亞卻能夠捕捉到較廣範圍的波長，分辨出細微的色差，使其成為天文學界無與倫比的天文臺。飛行天文臺這一特色也使它相當引人注目，兩個半球，十幾個國家都曾留下過它飛翔的尾跡～
美國宇航局索菲亞項目科學家納西姆·朗格瓦拉（Naseem Rangwala）表示：“索菲亞讓我們能夠用其他天文觀測設施無法實現的方式深入瞭解宇宙”。
飛翔中的索菲亞
在美國宇航局之前使用的的高空紅外望遠鏡——柯伊伯機載天文臺（Kuiper Airborne Observatory）退役後，索菲亞於2010年開始服役，並計劃運行至21世紀30年代初。索菲亞實際為一架專門改裝後的波音747SP，搭載了一架106英寸望遠鏡，是世界上最大的機載天文臺。這架飛機每週飛行約四架次，每次巡航10小時，飛行高度在1.2萬至1.3萬米之間，高於地球大氣中99%的紅外散射水汽區域。索菲亞大部分時間在加州運行，但它也偶爾飛飛南半球去新西蘭觀觀星，或者去趟德國探探親，畢竟它八臺設備中的三臺都是德國航天局開發的。
索菲亞尾部的一扇艙門在運行過程中始終打開，露出其2.7米直徑，近20噸重的鏡面。該鏡面靈活旋轉，能在飛機顛簸或震動時鎖定其目標天體。
主機艙的座椅被拆下，裝上了儀器控制檯，變成了操作員、數據分析員和科學家的控制室。飛機上層供機組人員和領航員閒溜達，飛機前部則保留座位，用來在起飛降落時落座賞景。“飛越南半球時，你可以觀賞到美輪美奐的極光。”朗格瓦拉如是說道。
索菲亞內部全景圖
Image credit: NASA
索菲亞的與眾不同
便攜先進的天文臺可不便宜。索菲亞在2017年的運營成本為8520萬美元，快趕上哈勃了。雖然德國航天局承擔了索菲亞20%的成本，但它仍然躋身美國宇航局最昂貴的項目之一。但就望遠鏡執行的任務而言，並沒有什麼大不同。
像哈勃這樣的望遠鏡，一旦發射進入了太空，也就沒有升級的餘地了。但像索菲亞這樣可以每天返回地面的望遠鏡，不需要發射火箭寄送太空包裹，就能增加或者升級設備。
2015年，德國航空航天中心在索菲亞上升級了德國萬億赫茲頻率接收器（GREAT）。有了新的硬件，研究人員能夠識別深空中的氦化氫分子，長期以來，這種分子被認為參與了宇宙最早期的化學反應。朗格瓦拉表示，“理論界幾十年來預測的分子終於被我們找到了！”
前年，索菲亞的高分辨率機載寬帶相機Plus（HAWC+）上線，使研究人員能夠繪製磁場，並研究它們在恆星形成中的作用。
獵戶座星雲的磁場在智利甚大望遠鏡拍攝的紅外圖像上顯示為由紅外疊加磁力線表示的磁場。而索菲亞的高分辨率天基寬波段相機(HAWC+)對塵埃顆粒的排列十分敏感，塵埃顆粒沿著磁場排列，使得研究人員能夠推斷其方向和強度。
索菲亞的另一個特點是其觀測範圍之大。有的望遠鏡專門研究幾種特殊顏色的紅外線，而其他像詹姆斯韋伯太空望遠鏡之類的強力望遠鏡也只是集中在宇宙的一小塊區域。但索菲亞全部可以做到，其設備儀器的紅外光譜範圍從幾微米到幾百微米不等。恆星燃燒發出可見光，通過光譜，索菲亞可以從星系、星雲、塵埃雲中挑出更為黯淡的天體，類似於利用紅外眼鏡在夜間辨別人和動物。索菲亞還能以極高的精度分辨出不同大小的陰影——這是發現單個分子足跡的重要能力。
索菲亞的科學貢獻
索菲亞獨特的技術特長在天文界也十分討喜。例如麻省理工學院的研究科學家邁克爾·珀森（Michael Person）在2015年夏天就利用索菲亞觀測了冥王星。20年來，他和他的同事一直在通過一種類似日食的掩星現象，即冥王星運行至恆星前產生的陰影，來研究這顆矮行星的大氣層。在掩星的時候，星光穿過冥王星的大氣層並在地球上投下陰影，任何處於冥王星陰影中的望遠鏡都能對這顆矮行星的大氣有一些新的認識。
不過，大多數掩星陰影會投在海洋上，即使不落在海洋上，它們在地球上的路徑也很難預測。但索菲亞可以克服這兩個挑戰。2015年6月，珀森在索菲亞上電話告知了麻省理工學院他的最終預測，並告知導航員實時調整飛行計劃，在太平洋上一路追逐冥王星的影子。“在最後一分鐘，我們重新定位（索菲亞）的方式是在地面上快速移動望遠鏡的方法所無法比擬的”，珀森說。
團隊靈巧的應變策略最終得到了回報。在兩種顏色下觀察冥王星的大氣層，能夠幫助解決關於這顆矮行星朦朧“霧霾”的爭論。兩週後，“新視野”號飛過冥王星，證實了他們的發現：冥王星被濛濛薄霧籠罩著。
在W51產星區內形成的恆星。疊加在斯隆數字巡天星圖上的索菲亞和暗天體紅外相機拼圖（彩色）
Image credit: NASA/SOFIA/Lim and De Buizer et al. and Sloan Digital Sky Survey
去年，索菲亞已經開始了兩個保留項目——均需長達數小時的觀察。其中一個是研究不同大小的恆星群，以確定它們的星系泡和衝擊波對其附近恆星產生的影響。
另一個目標則是銀河系中心大約有四個滿月大小的一片區域。儘管該區域恆星形成所需成分豐富，但似乎有某種物質阻止了這一區域中恆星的誕生，研究人員希望更詳細的圖像能幫助他們找出原因。
朗格瓦拉強調，即使更強大的詹姆斯韋伯太空望遠鏡上線，索菲亞的互補性將使它成為美國宇航局天文硬實力中更有價值的一份子。她還說道，這些銀河系的掃描圖可以幫助確定觀測方位，對聚焦更窄的太空望遠鏡來說尤為重要。索菲亞精確地指哪兒，詹姆斯就“打”哪兒。
想要3D打印一架索菲亞嗎？
雖然大家應該沒有3D打印機，但牧夫仍然送上下載鏈接～
https://nasa3d.arc.nasa.gov/detail/sofia
『天文溼刻』 牧夫出品
斯皮策太空望遠鏡拍攝的三葉星雲
Image Credit: J. Rho (SSC/Caltech), JPL-Caltech, NASA
閱讀更多 牧夫天文 的文章
關鍵字: 麻省理工學院 原汁原味的德系SUV 美國國家航空航天局
