索菲亚是谁？

　　索菲亚是谁？

　　月亮说：I’m wet.  索菲亚说：我看见了！

　　作者：王延昕

　　校对：牧夫校对组

　　编排：关关  

　　月球湿了！

　　还记得上周小编发的一则咸湿到不好意思翻译的天文趣图吗？

　　图源：boredpanda.com

　　不曾想没过几日， NASA真的宣布发现了水，不过不是在火星，而是在月球。（此刻火星对月球增加一万点嫉妒）

　　故事是这样的，SOFIA在月球南半球阳光明媚的克拉维乌斯（Clavius）环形山（月球上可见的最大环形山之一）中通过6µm红外波长检测到水分子（H2O）。先前的研究用3µm红外波长对月球表面的观察发现了某种形式的氢，但无法区分是水还是其化学上的近亲羟基（OH）。来自该区域的数据显示，水被困于分布在月球表面的土壤中，一立方米月球土壤中的含水量为百万分之100至412，这大约相当于一杯12盎司或355毫升的水，什么概念呢？Look！

　　12盎司/355毫升装的某品牌啤酒，据说因为名字的缘故，今年销量差到不行。。。

　　嗯，乍看还是不少的吧？相比之下，撒哈拉沙漠的水量居然是SOFIA在月球土壤中检测到的水量的100倍。尽管水量很少，但这一发现表明，水可能分布在整个月球表面，而不仅限于阴凉的地方。同时也提出了新的问题，即月球表面是如何产生水的，以及水如何在环境恶劣又无空气的月球表面上持续存在。

　　关于这次发现的纯科学技术部分可以前往自然杂志网站欣赏，这篇论文完全公开在：

　　https://www.nature.com/articles/s41550-020-01222-x

　　而爱八卦的小编则对报道中不断出现的SOFIA情有独钟，誓要挖出她的身世！

　　SOFIA是谁？

　　SOFIA可译作索菲亚，有着这样美丽名字的她应该长成这样才对：

　　迪斯尼公主索菲亚

　　或是这样：

　　瑞典王妃索菲亚

　　然而真相似乎有点残酷，NASA的SOFIA居然是不折不扣的钢铁直男。

　　图源：NASA

　　这样的直男怎么会取一个那么柔美的名字呢？原来直男的全名是Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy ，翻译过来就是平流层红外天文台，简称SOFIA。

　　不就是一架波音747客机嘛，为什么被称为天文台呢？让我们看看另一侧。

　　图源：NASA

　　我去，黑洞洞的那到底是什么鬼？

　　让小编放大看看！

　　图源：NASA

　　瓦特！真是一台望远镜！

　　为什么要在飞机上装望远镜呢？一切要从那年说起。

　　特殊性能的747SP

　　43年前的1977年4月25日，一架编号为21441的波音747SP崭新出厂飞向蓝天。SP这两个字母代表特殊性能的含义（Special Performance），波音747SP是专门为当时飞行距离最长的纽约至德黑兰航线开发的，缩短的机身和重量的减轻让它成为当时飞得最高航程最远的客机。

　　在泛美航空和联合航空服役多年后，这架747SP于1995年底退役并在1997年被作为NASA机载天文台分包商的美国大学空间研究会USRA购买，同年10月这架20年机龄的老飞机转给了NASA。

　　1998年的SOFIA还没去掉联合航空的涂装，后机身尚未改装而是在望远镜舱门的位置刷了个漆。

　　NASA机载天文台简史

　　SOFIA并不是NASA的第一个机载天文台，早在1965年NASA便开始尝试在飞机上进行天文观测，当时用一架改装的康维尔990客机进行日食研究。

　　1965年这架改装自康维尔990客机的伽利略1号在观测日蚀中，机舱上方开了一排观测窗。

　　图源：NASA

　　1968年NASA开始尝试在飞机上装望远镜。当时选择的是一架里尔喷气24B型小型公务机，而安装的望远镜是一台12寸口径红外望远镜，用于对金星的观测。

　　里尔喷气机载天文台内部空间很狭小，天文学家还得戴着氧气面罩进行观测。

　　图源：NASA

　　小打小闹不是NASA的作风。在里尔喷气机载天文台上积累了一些经验后，NASA于1975年搞来了一架C141大型军用运输机，在前舱左侧撕开一个口子安装了一台36英寸口径的望远镜以进行红外观测。这架飞机以著名行星科学家柯伊伯命名，打造成名副其实的机载天文台——柯伊伯机载天文台，简称KAO。（小编暗地里寻思：我靠，这名字牛！）

　　飞行中的柯伊伯机载天文台，黑色正方形是打开的望远镜观测窗

　　图源：NASA

　　在20年服役期内KAO在全球完成1417次飞行，斩获如下重大天文发现：

　　冥王星的大气

　　天王星环

　　围绕银河系中心的恒星形成圈

　　太空中的复杂有机分子

　　彗星和木星大气中的水

　　钢铁直男SOFIA诞生

　　36英寸的size已经不能满足NASA的需求，于是大型机载望远镜的提议于1984年被正式提出，当时希望能用波音747携带3米口径的大型望远镜。项目找来德国凑份子，由德国人赞助20%费用并提供望远镜。然而东西德的统一和NASA削减预算导致该项目暂停五年，NASA也将相关工作外包给了大学空间研究协会（USRA）。直到1996年，NASA与德国航空航天中心（DLR）终于签署了建造和运营SOFIA的谅解备忘录，NASA从USRA接手波音747SP，而德方负责提供直径106英寸（2.7米）迄今为止最大的机载望远镜，同时能获得每年三十次的飞行机会。

　　SOFIA垂尾上除了NASA的标志外还有醒目的德国DLR标志，那台2.7米直径的望远镜是德国制造

　　图源：NASA

　　SOFIA的诞生之路远比我们猜想的要漫长，从1996年项目启动到2010年首次开光花去了14年时间！要解决的关键问题真是一大堆：

　　如何打造一台2.7米直径的红外望远镜

　　并能装进一架747的肚子

　　在空中打开机舱产生气流干扰的情况下可以稳定地跟踪观测目标

　　望远镜的主镜由著名德国玻璃制造商肖特提供，使用ZERODUR®玻璃陶瓷，这种材料的热膨胀几乎为零，因此主镜可以不受机舱内温暖空气与平流层之间温度变化的影响。但是完成后主镜胚重达4.5吨，这时轮到骄傲的法国人登场了。当时法国科技巨头萨基姆旗下的REOSC公司在不破坏主镜抛物面的前提下将其背面一点点铣成蜂窝状，花费整整18个月成功为主镜减去了80%的重量，最后主镜居然只剩0.88吨。

　　到2000年时，德国这边望远镜的主体结构完成并进行最后组装，美国这边对747SP的大改也在有条不紊地进行中。负责改装的美国雷神公司（Raytheon Company）甚至从美联航另外购买了一架二手747SP的后舱段用于研究改造方案。雷神公司在机身左后方开了个5.5米高4.1米宽的门，同时为了降低了舱门打开时机身气流对望远镜的影响，这个舱段的前后缘被设计成流线型的鼓起。2004年德国造的望远镜与美国波音747SP终于合体了。

　　空气动力优化对于美国人来说真是小菜一碟，虽然也是师承德国人。。。

　　图源：DLR

　　SOFIA的飞行高度一般在12000米以上。当打开舱门观测时，望远镜舱内的压力尽失，但与加压的工作前舱是完全隔断的，这样在观测时工作人员就不必象在里尔喷气机载天文台里那样佩戴氧气面罩了。

　　望远镜舱与加压的工作舱隔开，科研仪器均在加压舱内。

　　图源：DLR

　　为了提高望远镜整体刚性，望远镜舱内的光学部分与加压舱内的仪器与配重部分是一体的，通过1.2米直径的巨大球型轴承（下图绿色部分）和50个大气压的油压使其“漂浮”，十吨重的望远镜仅靠一人便可推动。靠着这种传统的被动平衡装置SOFIA实现了极高的观测稳定性。

　　SOFIA望远镜的“漂浮”装置，右侧为望远镜舱内的光学部分，左侧为加压舱内的科研仪器及配重部分。

　　图源：DLR

　　到了2007年SOFIA终于可以飞起来了，经历了2年多的测试后于2010年5月25日夜顺利开光。在当晚10小时的通宵飞行中，它观测到天磁场、恒星形成区、彗星、星云和银河系中心。

　　右图是SOFIA在多个红外波段所拍摄的合成木星图像，作为参考左侧显示可见光下的木星

　　图源：NASA/USRA

　　当晚科学家们欣喜地发现SOFIA那德国制造的望远镜其指向性和稳定性超过了预期。得益于超大口径望远镜和新研发的科研仪器，这次对木星的红外观测获得了从未有过的图像，地基红外望远镜完全拍不到！

　　SOFIA如何进行观测

　　SOFIA可在红外和亚毫米波长范围内进行天文观测，其科学研究目的包括：

　　恒星的诞生与死亡

　　行星系统的形成

　　鉴定空间中的复杂分子

　　太阳系中的行星，彗星和小行星

　　星云和星系的生态系统

　　天体磁场

　　黑洞在星系的中心

　　地球大气中99%的水蒸气在对流层中，水蒸气会严重阻碍红外观测，这导致地面观测站无法进行理想的红外天文观测。SOFIA的典型工作高度在12000米以上的平流层，在这个高度上SOFIA可以利用85％全红外波段进行观测。飞机还可以行进到地球表面上几乎任何一点，从而可以从北半球和南半球进行观测。SOFIA具有十倍于KAO的灵敏度和三倍的角分辨率。SOFIA上只需要短短几分钟就能捕捉到地面观测站需要长时间曝光的红外图像。

　　本次SOFIA在月球上发现水所使用的主要仪器是康奈尔大学的暗天体红外相机（或称为FORCAST）。FORCAST是一种中红外摄像机，用于研究行星和恒星形成区域等天体。

　　这就是由康奈尔大学提供的FORCAST红外相机，其全称是Faint Object infraRed CAmera for the SOFIA Telescope

　　图源：NASA

　　此次观测其实是SOFIA首次实验性窥视月球，科学家甚至一开始都没报任何幻想。2018年8月31日FORCAST在6 µm红外波段对克拉维乌斯环形山附近的南部高纬度地区和澄海的低纬度地区之间的一个区域进行了观测。FORCAST覆盖5至8 µm的红外波长范围，R  = 200的光谱分辨率和高信噪比，非常适合寻找具有6 µm红外特征的月球水。

　　SOFIA的后续飞行将在月球上其他阳光照射的地方以及不同月相期间寻找水，以了解有关水的产生、存储和在月球表面移动等更多信息。这些数据将添加到未来的月球任务中，以创建用于未来人类太空探索的首个月球水资源图。

　　SOFIA计划服役20年，每年将进行约160次天文飞行，每次飞行持续6到8个小时。

　　2008年SOFIA与已经退役的KAO拍了一张合影

　　图源：NASA/ Eric James

　　聊了那么多，发现机载天文台在我国完全是一片空白啊！请问各位同学，你们觉得我国是否也应该搞机载天文台呢？哪款机型可以作为载机？

　　参考资料：

　　https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-sofia-discovers-water-on-sunlit-surface-of-moon/

　　https://www.nasa.gov/feature/history-of-airborne-astronomy-at-nasa/ 

　　https://en.wikipedia.org/wiki/Stratospheric_Observatory_for_Infrared_Astronomy 

　　https://www.dlr.de/content/en/articles/missions-projects/sofia/sofia-infrared-observatory.html 

　　https://www.nasa.gov/centers/ames/news/releases/1999/99_65AR.html 

　　https://www.sofia.usra.edu/multimedia/about-sofia/history-sofia-and-airborne-astronomy

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

害怕与恐惧：火星的月亮

Composite Image Credit & Copyright: Dennis Simmons