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。”