索菲亞是誰？_風聞

　　索菲亞是誰？

　　月亮説：I’m wet.  索菲亞説：我看見了！

　　作者：王延昕

　　校對：牧夫校對組

　　編排：關關  

　　月球濕了！

　　還記得上週小編髮的一則鹹濕到不好意思翻譯的天文趣圖嗎？

　　圖源：boredpanda.com

　　不曾想沒過幾日， NASA真的宣佈發現了水，不過不是在火星，而是在月球。（此刻火星對月球增加一萬點嫉妒）

　　故事是這樣的，SOFIA在月球南半球陽光明媚的克拉維烏斯（Clavius）環形山（月球上可見的最大環形山之一）中通過6µm紅外波長檢測到水分子（H2O）。先前的研究用3µm紅外波長對月球表面的觀察發現了某種形式的氫，但無法區分是水還是其化學上的近親羥基（OH）。來自該區域的數據顯示，水被困於分佈在月球表面的土壤中，一立方米月球土壤中的含水量為百萬分之100至412，這大約相當於一杯12盎司或355毫升的水，什麼概念呢？Look！

　　12盎司/355毫升裝的某品牌啤酒，據説因為名字的緣故，今年銷量差到不行。。。

　　嗯，乍看還是不少的吧？相比之下，撒哈拉沙漠的水量居然是SOFIA在月球土壤中檢測到的水量的100倍。儘管水量很少，但這一發現表明，水可能分佈在整個月球表面，而不僅限於陰涼的地方。同時也提出了新的問題，即月球表面是如何產生水的，以及水如何在環境惡劣又無空氣的月球表面上持續存在。

　　關於這次發現的純科學技術部分可以前往自然雜誌網站欣賞，這篇論文完全公開在：

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

　　而愛八卦的小編則對報道中不斷出現的SOFIA情有獨鍾，誓要挖出她的身世！

　　SOFIA是誰？

　　SOFIA可譯作索菲亞，有着這樣美麗名字的她應該長成這樣才對：

　　迪斯尼公主索菲亞

　　或是這樣：

　　瑞典王妃索菲亞

　　然而真相似乎有點殘酷，NASA的SOFIA居然是不折不扣的鋼鐵直男。

　　圖源：NASA

　　這樣的直男怎麼會取一個那麼柔美的名字呢？原來直男的全名是Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy ，翻譯過來就是平流層紅外天文台，簡稱SOFIA。

　　不就是一架波音747客機嘛，為什麼被稱為天文台呢？讓我們看看另一側。

　　圖源：NASA

　　我去，黑洞洞的那到底是什麼鬼？

　　讓小編放大看看！

　　圖源：NASA

　　瓦特！真是一台望遠鏡！

　　為什麼要在飛機上裝望遠鏡呢？一切要從那年説起。

　　特殊性能的747SP

　　43年前的1977年4月25日，一架編號為21441的波音747SP嶄新出廠飛向藍天。SP這兩個字母代表特殊性能的含義（Special Performance），波音747SP是專門為當時飛行距離最長的紐約至德黑蘭航線開發的，縮短的機身和重量的減輕讓它成為當時飛得最高航程最遠的客機。

　　在泛美航空和聯合航空服役多年後，這架747SP於1995年底退役並在1997年被作為NASA機載天文台分包商的美國大學空間研究會USRA購買，同年10月這架20年機齡的老飛機轉給了NASA。

　　1998年的SOFIA還沒去掉聯合航空的塗裝，後機身尚未改裝而是在望遠鏡艙門的位置刷了個漆。

　　NASA機載天文台簡史

　　SOFIA並不是NASA的第一個機載天文台，早在1965年NASA便開始嘗試在飛機上進行天文觀測，當時用一架改裝的康維爾990客機進行日食研究。

　　1965年這架改裝自康維爾990客機的伽利略1號在觀測日蝕中，機艙上方開了一排觀測窗。

　　圖源：NASA

　　1968年NASA開始嘗試在飛機上裝望遠鏡。當時選擇的是一架里爾噴氣24B型小型公務機，而安裝的望遠鏡是一台12寸口徑紅外望遠鏡，用於對金星的觀測。

　　里爾噴氣機載天文台內部空間很狹小，天文學家還得戴着氧氣面罩進行觀測。

　　圖源：NASA

　　小打小鬧不是NASA的作風。在里爾噴氣機載天文台上積累了一些經驗後，NASA於1975年搞來了一架C141大型軍用運輸機，在前艙左側撕開一個口子安裝了一台36英寸口徑的望遠鏡以進行紅外觀測。這架飛機以著名行星科學家柯伊伯命名，打造成名副其實的機載天文台——柯伊伯機載天文台，簡稱KAO。（小編暗地裏尋思：我靠，這名字牛！）

　　飛行中的柯伊伯機載天文台，黑色正方形是打開的望遠鏡觀測窗

　　圖源：NASA

　　在20年服役期內KAO在全球完成1417次飛行，斬獲如下重大天文發現：

　　冥王星的大氣

　　天王星環

　　圍繞銀河系中心的恆星形成圈

　　太空中的複雜有機分子

　　彗星和木星大氣中的水

　　鋼鐵直男SOFIA誕生

　　36英寸的size已經不能滿足NASA的需求，於是大型機載望遠鏡的提議於1984年被正式提出，當時希望能用波音747攜帶3米口徑的大型望遠鏡。項目找來德國湊份子，由德國人贊助20%費用並提供望遠鏡。然而東西德的統一和NASA削減預算導致該項目暫停五年，NASA也將相關工作外包給了大學空間研究協會（USRA）。直到1996年，NASA與德國航空航天中心（DLR）終於簽署了建造和運營SOFIA的諒解備忘錄，NASA從USRA接手波音747SP，而德方負責提供直徑106英寸（2.7米）迄今為止最大的機載望遠鏡，同時能獲得每年三十次的飛行機會。

　　SOFIA垂尾上除了NASA的標誌外還有醒目的德國DLR標誌，那台2.7米直徑的望遠鏡是德國製造

　　圖源：NASA

　　SOFIA的誕生之路遠比我們猜想的要漫長，從1996年項目啓動到2010年首次開光花去了14年時間！要解決的關鍵問題真是一大堆：

　　如何打造一台2.7米直徑的紅外望遠鏡

　　並能裝進一架747的肚子

　　在空中打開機艙產生氣流乾擾的情況下可以穩定地跟蹤觀測目標

　　望遠鏡的主鏡由著名德國玻璃製造商肖特提供，使用ZERODUR®玻璃陶瓷，這種材料的熱膨脹幾乎為零，因此主鏡可以不受機艙內温暖空氣與平流層之間温度變化的影響。但是完成後主鏡胚重達4.5噸，這時輪到驕傲的法國人登場了。當時法國科技巨頭薩基姆旗下的REOSC公司在不破壞主鏡拋物面的前提下將其背面一點點銑成蜂窩狀，花費整整18個月成功為主鏡減去了80%的重量，最後主鏡居然只剩0.88噸。

　　到2000年時，德國這邊望遠鏡的主體結構完成並進行最後組裝，美國這邊對747SP的大改也在有條不紊地進行中。負責改裝的美國雷神公司（Raytheon Company）甚至從美聯航另外購買了一架二手747SP的後艙段用於研究改造方案。雷神公司在機身左後方開了個5.5米高4.1米寬的門，同時為了降低了艙門打開時機身氣流對望遠鏡的影響，這個艙段的前後緣被設計成流線型的鼓起。2004年德國造的望遠鏡與美國波音747SP終於合體了。

　　空氣動力優化對於美國人來説真是小菜一碟，雖然也是師承德國人。。。

　　圖源：DLR

　　SOFIA的飛行高度一般在12000米以上。當打開艙門觀測時，望遠鏡艙內的壓力盡失，但與加壓的工作前艙是完全隔斷的，這樣在觀測時工作人員就不必象在里爾噴氣機載天文台裏那樣佩戴氧氣面罩了。

　　望遠鏡艙與加壓的工作艙隔開，科研儀器均在加壓艙內。

　　圖源：DLR

　　為了提高望遠鏡整體剛性，望遠鏡艙內的光學部分與加壓艙內的儀器與配重部分是一體的，通過1.2米直徑的巨大球型軸承（下圖綠色部分）和50個大氣壓的油壓使其“漂浮”，十噸重的望遠鏡僅靠一人便可推動。靠着這種傳統的被動平衡裝置SOFIA實現了極高的觀測穩定性。

　　SOFIA望遠鏡的“漂浮”裝置，右側為望遠鏡艙內的光學部分，左側為加壓艙內的科研儀器及配重部分。

　　圖源：DLR

　　到了2007年SOFIA終於可以飛起來了，經歷了2年多的測試後於2010年5月25日夜順利開光。在當晚10小時的通宵飛行中，它觀測到天磁場、恆星形成區、彗星、星雲和銀河系中心。

　　右圖是SOFIA在多個紅外波段所拍攝的合成木星圖像，作為參考左側顯示可見光下的木星

　　圖源：NASA/USRA

　　當晚科學家們欣喜地發現SOFIA那德國製造的望遠鏡其指向性和穩定性超過了預期。得益於超大口徑望遠鏡和新研發的科研儀器，這次對木星的紅外觀測獲得了從未有過的圖像，地基紅外望遠鏡完全拍不到！

　　SOFIA如何進行觀測

　　SOFIA可在紅外和亞毫米波長範圍內進行天文觀測，其科學研究目的包括：

　　恆星的誕生與死亡

　　行星系統的形成

　　鑑定空間中的複雜分子

　　太陽系中的行星，彗星和小行星

　　星雲和星系的生態系統

　　天體磁場

　　黑洞在星系的中心

　　地球大氣中99%的水蒸氣在對流層中，水蒸氣會嚴重阻礙紅外觀測，這導致地面觀測站無法進行理想的紅外天文觀測。SOFIA的典型工作高度在12000米以上的平流層，在這個高度上SOFIA可以利用85％全紅外波段進行觀測。飛機還可以行進到地球表面上幾乎任何一點，從而可以從北半球和南半球進行觀測。SOFIA具有十倍於KAO的靈敏度和三倍的角分辨率。SOFIA上只需要短短幾分鐘就能捕捉到地面觀測站需要長時間曝光的紅外圖像。

　　本次SOFIA在月球上發現水所使用的主要儀器是康奈爾大學的暗天體紅外相機（或稱為FORCAST）。FORCAST是一種中紅外攝像機，用於研究行星和恆星形成區域等天體。

　　這就是由康奈爾大學提供的FORCAST紅外相機，其全稱是Faint Object infraRed CAmera for the SOFIA Telescope

　　圖源：NASA

　　此次觀測其實是SOFIA首次實驗性窺視月球，科學家甚至一開始都沒報任何幻想。2018年8月31日FORCAST在6 µm紅外波段對克拉維烏斯環形山附近的南部高緯度地區和澄海的低緯度地區之間的一個區域進行了觀測。FORCAST覆蓋5至8 µm的紅外波長範圍，R  = 200的光譜分辨率和高信噪比，非常適合尋找具有6 µm紅外特徵的月球水。

　　SOFIA的後續飛行將在月球上其他陽光照射的地方以及不同月相期間尋找水，以瞭解有關水的產生、存儲和在月球表面移動等更多信息。這些數據將添加到未來的月球任務中，以創建用於未來人類太空探索的首個月球水資源圖。

　　SOFIA計劃服役20年，每年將進行約160次天文飛行，每次飛行持續6到8個小時。

　　2008年SOFIA與已經退役的KAO拍了一張合影

　　圖源：NASA/ Eric James

　　聊了那麼多，發現機載天文台在我國完全是一片空白啊！請問各位同學，你們覺得我國是否也應該搞機載天文台呢？哪款機型可以作為載機？

　　參考資料：

　　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

『天文濕刻』 牧夫出品

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害怕與恐懼：火星的月亮

Composite Image Credit & Copyright: Dennis Simmons