□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven）/ 翻譯 程思淼

機載天文學(xué)

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven）/ 翻譯 程思淼

打開艙門的“索菲亞”。（圖片來源：NASA/DLR）

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）百人計劃學(xué)者。

什么是機載天文學(xué)？

絕大多數(shù)望遠鏡是陸基（在地面上）的，人們大抵也都知道“哈勃”這樣的空間望遠鏡（在太空中）。此外還有一類,它們也是在天空中工作的——機載天文臺。

機載天文臺又可以分為三種：

1望遠鏡在飛機上；

2望遠鏡在氣球上；

3望遠鏡在火箭上。

地球的大氣層對可見光和射電波段幾乎是完全透明的。因此，光學(xué)和射電觀測的望遠鏡可以建在地球表面。但是，對紫外、X射線和伽馬射線的天文觀測，就只能到太空中去。而對于紅外和微波輻射，在地面幾乎沒法觀測，理論上說也應(yīng)該到太空中去。但如圖中所示，在高空飛行的飛機上進行紅外觀測仍然是可能的，也正是因此我們建造了“索菲亞”等機載天文臺。

空中望遠鏡有何用處？

地球的大氣層對可見光和射電波段是透明的，但對于其他波段的電磁波，它會吸收掉其中的大部分。這些波段包括遠紅外和中紅外（被溫室氣體吸收）、紫外（被臭氧吸收）、X射線和伽馬射線（主要被高層大氣分子吸收并導(dǎo)致其電離）。當然，可見光和射電波段的天文觀測可以在地面上進行，而對于其他所有波段，即使在高山上修建望遠鏡，也很難進行觀測。因此，只有飛到高處去，躲避地球大氣層的阻擋，才能對這些波段進行有效的觀測。

一種辦法是發(fā)射天文衛(wèi)星到太空中去（比如，哈勃空間望遠鏡），或者把望遠鏡建在空間站上，甚至到月球上去建造望遠鏡。這種辦法從天文學(xué)的角度看是很理想的，但開銷實在太大。因此有了第二種辦法，即望遠鏡仍在地球附近（大氣層內(nèi)），不過飛得盡量高些，到絕大部分大氣分子之上就可以了。雖然頭頂上稀薄的大氣仍會吸收一部分來自宇宙的輻射，但在那樣的高度上，已經(jīng)可以進行足夠好的天文觀測了。重要的是，這種方法的成本只有向太空發(fā)射一顆衛(wèi)星的幾百甚至幾千分之一！

氣球、火箭和飛機

充滿氫氣或氦氣的氣球能在空中停留長達幾個月的時間，這是它的一個巨大優(yōu)點。氣球可以飛到高達35千米的大氣層上部進行觀測，并由搭載的通訊設(shè)備向天文學(xué)家傳輸觀測結(jié)果。或者，也可以等氣球重新回到地面后從探測器上取回數(shù)據(jù)。同時，氣球的成本也相對便宜，并且不需要工作人員時刻操作。當然，氣球的主要缺點在于它完全隨風而動。它可能飛越大洋到另一個國家的上空，也可能不幸墜落在任何地方。

偶爾，這些天文氣球能將太陽光反射到地面某個地方（由于它飛得很高，甚至在晚上也可能看到這種閃光），不了解情況的居民會把它們當成不明飛行物（UFO）。

如果想在更高的大氣層開展觀測，則需要用到天文火箭。這些火箭并不飛到太空中去，它們只是飛到很高的空中，進行觀測，然后再回到地面上。這比發(fā)射一枚飛向太空的火箭要便宜得多，而在這樣一個比飛機和氣球都要高得多的位置上，很多觀測（如，X射線和伽馬射線天文學(xué)的觀測）也都可以進行了。遺憾的是，這類火箭上的觀測只能持續(xù)幾分鐘。但是，天文觀測中很多重要的“第一次”就是在這幾分鐘里得到的?；鸺谌蝿?wù)結(jié)束后會落在哪里是很難預(yù)測的，因而科學(xué)家也要小心，避免因為發(fā)射火箭而對鄰國造成了侵犯。

在飛機上裝備望遠鏡是最常見的機載天文臺。不像氣球和火箭那樣，飛機上的科學(xué)儀器在觀測任務(wù)結(jié)束后不會毀壞，這意味著可以使用更昂貴的望遠鏡。另外，飛機上也可以搭乘人員，以便直接操作望遠鏡，飛機降落后還可以對望遠鏡進行維修和升級改造。不像氣球和火箭，飛機的航線更靈活，可以在飛行過程中隨時調(diào)整。飛機可以飛到某個目標對應(yīng)的最佳觀測位置上，而且如果一直往西飛（抵消地球自轉(zhuǎn)），還可以延長觀測的時間。不過，航線得仔細地設(shè)計才行，要避開商業(yè)運輸航線、軍事管制區(qū)、國境線、天氣不好和有湍流的天區(qū)。盡管飛機比氣球要昂貴，又不能像火箭飛得那樣高，但它仍是機載天文臺中最成功的一類，也是我們這篇文章介紹的重點。

圖中標示了一些主要望遠鏡的工作波段在電磁光譜中的位置（其中的幾個可以在不止一個波段進行觀測，圖中顯示的是主要工作波段）。盡管操作一架像“索菲亞”這樣的機載天文臺相當復(fù)雜，但它卻比圖中其他的望遠鏡都要便宜得多。

一切如何而始？

飛機剛發(fā)明，天文學(xué)家就表現(xiàn)出了對在更高海拔觀察宇宙的興趣。在20世紀20年代，天文家就已經(jīng)開始嘗試在飛機上進行天文觀測了。從那時起，一直到20世紀60年代，這種機載天文臺實際上基本都是為了一個目的：觀測日全食。對那時的人們來說，飛機觀測的主要優(yōu)點，就是可以把望遠鏡放到觀測日全食所需要的任何地理位置上去，而且它也能夠飛到云層之上。另外，飛機還可以沿著與月影移動相同的方向飛行，從而更長時間觀測日全食。20世紀50年代，噴氣式飛機的發(fā)明大大提高了飛機的飛行速度，也大大延長了可以觀測到日全食的時間。

機載天文學(xué)真正的突破是在20世紀60年代中紅外傳感器發(fā)明之后。既然天文學(xué)家能夠在大氣層高處這個又干又冷的地方進行觀測，那么，在中紅外波段觀察恒星和星系也就第一次成為了可能?？臻g天文臺大多是最近幾十年才升空的，雖然它們的觀測能力比機載望遠鏡強大得多，但是一架裝備在飛機上的望遠鏡卻比它們便宜得多。在機載天文臺的項目中，不乏非常成功的例子，如里爾天文臺（Learjet Observatory）、柯伊伯機載天文臺（Kuiper Airborne Observatory）以及平流層紅外天文臺（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，簡稱SOFIA，故又稱索菲亞平流層紅外天文臺）。

著名的機載天文臺

01 1923年日全食觀測

1923年9月10日的日全食是人類最早嘗試在飛機上觀測的天文現(xiàn)象之一。美國陸軍航空兵阿爾伯特·W·斯蒂文上尉是參與其中的一名飛行員。他是軍隊中經(jīng)驗豐富的航空攝影師，現(xiàn)在一般認為他是“機載天文學(xué)之父”。上尉和機組人員一起在飛機上觀看了日全食。他們同時也用照相干板對日食進行了曝光，但遺憾的是其中沒有一張記錄下了全食時的景象。從天文學(xué)的角度看，這次任務(wù)可以說徹底失敗了。但是，科學(xué)界、政界和媒體都對這次機載實驗高度關(guān)注，希望能在將來看到更多的進展。

阿爾伯特·W·斯蒂文上尉被很多人認為是機載天文學(xué)之父。1932年9月10日，他拍攝了第一幅日全食時投影在地球表面的月影照片。

02 出征甜蜜湖

1930年4月28日，人們在美國加利福尼亞州東北部的甜蜜湖（Honey Lake，因湖面像心形而得名）地區(qū)再次嘗試機載觀測日全食。這次全食只有大約90秒，為了準確地把握時機，人們做了周詳?shù)臏蕚?。此時技術(shù)已經(jīng)大為進步，膠片代替了原來笨拙的干板，拍攝工作大獲成功。這次觀測的結(jié)果被用來精確推算月球繞地軌道的信息。

03空軍1932年日全食觀測

甜蜜湖的成功使美國天文學(xué)家和軍隊官方大受鼓舞，他們變得更加雄心勃勃，打算在海拔8千米的高度上進行下一次觀測。在這個高度上，氣壓很低（350毫巴，只比海平面的三分之一稍多點），而且極為寒冷（-40°C），飛行員和機組人員很難控制飛機和觀測設(shè)備。那時的飛機還是“敞篷”的，所以工作人員不得不暴露在這種惡劣環(huán)境下操作設(shè)備。盡管如此，這次任務(wù)仍然獲得了高質(zhì)量的結(jié)果，通過在相機前安放特殊的濾鏡，科學(xué)家第一次在中紅外波段對太陽進行了觀測。

04 二戰(zhàn)時及戰(zhàn)后的觀測

在隨后的幾十年里又有過幾次機載日全食觀測，但技術(shù)發(fā)展的重點更多地偏向軍事、氣象和地理用途。在1945年7月9日的日全食觀測中，加拿大皇家空軍出動了4架飛機，在16千米的高度上，拍攝了固定的照片和展現(xiàn)日食過程的電影。他們進行了目視和紅外觀測，并且第一次使用了偏振濾鏡（測光）和光譜儀。而這一時期規(guī)模最大的科學(xué)遠征行動，是由美國國家地理學(xué)會組織的1948年5月8日日全食觀測。觀測者被派往中國、韓國、緬甸等國家，機載望遠鏡則補充了地面觀測者無法到達地區(qū)的數(shù)據(jù)。盡管壞天氣毀掉了地面的觀測，飛機在天空中也遇到了很大的麻煩，但這次遠征最終卻是成功達成了目標。因為遠征的主要目的并非研究太陽本身，而是利用月球和太陽的位置提高地理測量的精度。在1954年6月30日的日全食觀測中，科學(xué)家第一次使用了有專門開放機艙的飛機，這樣的話，即使飛機航向不變，操作者也可以將望遠鏡指向不同的方向。

0520世紀60年代：機載天文學(xué)的突破

噴氣式飛機的發(fā)展和紅外傳感器的問世，為機載天文學(xué)開啟了新的天地。1963年，首次噴氣式飛機機載觀測任務(wù)在美國道格拉斯飛機公司的贊助下完成。同年，《禁止在大氣層、外層空間和水下進行核武器試驗條約》簽訂。于是，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory，LANL）不得不為三架本來用于核試驗的飛機找點“新工作”。但由于冷戰(zhàn)的需要，這些飛機又要能隨時準備投入戰(zhàn)爭。因此，實驗室最終決定將它們暫時用于天文觀測。為了觀測1965年5月30日的日全食，科學(xué)家又準備了另外四架飛機：其中一架來自新成立的美國宇航局（NASA），一架來自美國空軍，另外兩架來自原子能委員會（Atomic Energy Commission）。一共七架飛機協(xié)同完成了這次從新西蘭到秘魯?shù)暮Ｉ先杖秤^測。

07 “柯伊伯”機載天文臺

美國宇航局的下一步是將一架洛克希德C-141“運輸星”（Starlifter）軍用運輸機改造成機載天文臺——“柯伊伯”機載天文臺（KAO）。天文臺命名為“柯伊伯”，以紀念杰拉德·柯伊伯對機載天文學(xué)的重要貢獻。C-141比之前的飛機都要大得多，因此能夠搭載更大的望遠鏡，以及多達20名工作人員。有了“伽利略”和“里爾”長期的實踐經(jīng)驗，“柯伊伯”的設(shè)計和電子設(shè)備都有所提高。另外，飛行時間也由“里爾”的2.5小時提高到了7.5小時。雖然“柯伊伯”的望遠鏡是在開放機艙中的，但工作人員卻可以在加壓艙（常溫、常壓）里操作設(shè)備，無需佩戴氧氣面罩。從1974到1995年，“柯伊伯”每年都進行大約70次科學(xué)飛行，研究了大量的天體，包括行星、衛(wèi)星、星系以及星際氣體。在走過了漫長的科學(xué)發(fā)現(xiàn)生涯后，“柯伊伯”于1995年退役。接替“柯伊伯”的下一代機載天文臺，是原計劃于2001年服役的“索菲亞”（SOFIA）。

退役的“柯伊伯”機載天文臺（左）和“索菲亞”機載天文臺（右），位于美國宇航局埃姆斯研究中心。（圖片來源：NASA）

08 “索菲亞”——迄今最大的機載天文臺

圖中顯示了“索菲亞”2011年5月一次飛行路線樣本。起飛和著陸都是在美國加利福尼亞州的帕姆達爾（Palmdale）。每次飛行的路線上標記了時間和所觀測的天文目標。黑線標記的是沒有進行觀測的“死時間”。橙色和黃色標記了的那些有不同程度限制的空域，它們的存在更增加了設(shè)計飛行路線的難度。（圖片來源：NASA/DLR）

“索菲亞（SOFIA）”是“索菲亞平流層紅外天文臺”的簡稱。這個天文臺處于一架波音747飛機上，裝載了一架中、遠紅外望遠鏡，其望遠鏡直徑達到2.5米。1996年12月，德國空間局（DLR，以前稱為DARA）和美國宇航局簽署協(xié)議，開始聯(lián)合研制“索菲亞”。德國空間局負責“索菲亞”的望遠鏡部分，制造工作由德國公司完成。美國宇航局則負責飛機（從泛美航空公司購買）、機庫和飛行控制中心的工作，并與（美國）大學(xué)空間研究聯(lián)盟（USRA）簽訂合約，整合各機構(gòu)共同發(fā)展“索菲亞”項目。另外，美國宇航局也負責科學(xué)任務(wù)前的準備、調(diào)試工作和項目的運作。由于兩德統(tǒng)一，“索菲亞”項目整個推遲了5年。后來，由于一個美國宇航局合作方的破產(chǎn)，項目進一步停滯了。到2006年2月，“索菲亞”項目的開銷已經(jīng)達到3.3億美元，遠遠超過最初預(yù)計的1.85億美元，因此，美國宇航局宣布暫停項目、重新評審。好在，“索菲亞”最終通過了審查并在2007年4月26日進行了試飛?！八鞣苼啞庇?010年5月26日開始投入天文觀測，而這幾乎是在原計劃的十年之后了。但它確實取得了巨大的成功。全力工作時，“索菲亞”每年可以進行超過100次飛行；可以說，它是迄今最為先進的機載天文臺。不幸的是，前幾周傳來了壞消息。2014年3月4日，白宮宣布“索菲亞”的資金將會減少85%，項目組將不得不在國際上尋求資金。目前，“索菲亞”管理層正在積極尋找其他能夠支持和使用“索菲亞”的國家。如果找不到，“索菲亞”飛機也許就只能回到機庫或者被賣掉了。在機載天文學(xué)誕生將近一百年后，上個月似乎宣布了世界上最大機載天文臺生命的終結(jié)。這實在是個悲傷的消息。不過，仍然有希望在，又或許，下一代機載望遠鏡將在更大的飛機上建造，比如空客A380……

“索菲亞”的操作室。圖片是由機頭位置向后方拍攝的，所以遠處即為“索菲亞”紅外望遠鏡機械部分的側(cè)面支撐機構(gòu)和掛載的終端設(shè)備。操作室與望遠鏡室是完全隔離開的。飛機駕駛室位于機艙二層。（NASA）

“索菲亞”主鏡吊裝到機艙的過程。（NASA）

06 “伽利略”和“里爾”首批天文學(xué)專用飛機

鑒于之前機載觀測的成功，新成立的美國宇航局決定購買一架飛機“全職”用于天文研究。飛機命名為“伽利略”（Galileo），它正是在1965年的日全食觀測中完成了首飛。有了“伽利略”，科學(xué)家第一次在飛機上觀測除太陽以外的天體，如太陽系內(nèi)的行星和它們的衛(wèi)星。推動“伽利略”項目的主要科學(xué)家之一，就是時任美國亞利桑那大學(xué)月球行星實驗室（Lunar and Planetary Lab）主任的荷蘭裔天文學(xué)家杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper）?？乱敛臄z了金星的近紅外光譜，指出金星的云層并不由水組成，這一發(fā)現(xiàn)著實震動了天文學(xué)界。“伽利略”不幸在1973年與另一架飛機在空中相撞，導(dǎo)致機上全部人員喪生，項目也因此終結(jié)。

鑒于“伽利略”巨大的成功，原子能委員會和美國宇航局又建造了數(shù)架機載天文臺，“里爾”天文臺就是其中之一?！袄餇枴憋w行在15千米的高空中，可以進行近、中、遠各紅外波段的觀測。法國和英國的天文學(xué)家也不甘落后，他們使用超音速飛行的“協(xié)和”號客機觀測了1973年6月30日的日全食。憑借2100千米/時的速度，他們追隨著月影飛行，“看”到了迄今為止最長的日全食——足足74分鐘。

美國宇航局“伽利略”號飛機，由美國康維爾（Convair）990型飛機改造而成。（圖片來源：NASA）