機(jī)載天文學(xué)

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven）/ 翻譯 程思淼

機(jī)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(lái)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(jì)劃學(xué)者。

什么是機(jī)載天文學(xué)？

絕大多數(shù)望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡（在太空中）。此外還有一類,它們也是在天空中工作的——機(jī)載天文臺(tái)。

機(jī)載天文臺(tái)又可以分為三種：

1望遠(yuǎn)鏡在飛機(jī)上；

2望遠(yuǎn)鏡在氣球上；

3望遠(yuǎn)鏡在火箭上。

地球的大氣層對(duì)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(cè)的望遠(yuǎn)鏡可以建在地球表面。但是，對(duì)紫外、X射線和伽馬射線的天文觀測(cè)，就只能到太空中去。而對(duì)于紅外和微波輻射，在地面幾乎沒(méi)法觀測(cè)，理論上說(shuō)也應(yīng)該到太空中去。但如圖中所示，在高空飛行的飛機(jī)上進(jìn)行紅外觀測(cè)仍然是可能的，也正是因此我們建造了“索菲亞”等機(jī)載天文臺(tái)。

空中望遠(yuǎn)鏡有何用處？

地球的大氣層對(duì)可見光和射電波段是透明的，但對(duì)于其他波段的電磁波，它會(huì)吸收掉其中的大部分。這些波段包括遠(yuǎn)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(dāng)然，可見光和射電波段的天文觀測(cè)可以在地面上進(jìn)行，而對(duì)于其他所有波段，即使在高山上修建望遠(yuǎn)鏡，也很難進(jìn)行觀測(cè)。因此，只有飛到高處去，躲避地球大氣層的阻擋，才能對(duì)這些波段進(jìn)行有效的觀測(cè)。

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(yuǎn)鏡），或者把望遠(yuǎn)鏡建在空間站上，甚至到月球上去建造望遠(yuǎn)鏡。這種辦法從天文學(xué)的角度看是很理想的，但開銷實(shí)在太大。因此有了第二種辦法，即望遠(yuǎn)鏡仍在地球附近（大氣層內(nèi)），不過(guò)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(huì)吸收一部分來(lái)自宇宙的輻射，但在那樣的高度上，已經(jīng)可以進(jìn)行足夠好的天文觀測(cè)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(jī)

充滿氫氣或氦氣的氣球能在空中停留長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的時(shí)間，這是它的一個(gè)巨大優(yōu)點(diǎn)。氣球可以飛到高達(dá)35千米的大氣層上部進(jìn)行觀測(cè)，并由搭載的通訊設(shè)備向天文學(xué)家傳輸觀測(cè)結(jié)果。或者，也可以等氣球重新回到地面后從探測(cè)器上取回?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，氣球的成本也相對(duì)便宜，并且不需要工作人員時(shí)刻操作。當(dāng)然，氣球的主要缺點(diǎn)在于它完全隨風(fēng)而動(dòng)。它可能飛越大洋到另一個(gè)國(guó)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(yáng)光反射到地面某個(gè)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(huì)把它們當(dāng)成不明飛行物（UFO）。

如果想在更高的大氣層開展觀測(cè)，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(jìn)行觀測(cè)，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(gè)比飛機(jī)和氣球都要高得多的位置上，很多觀測(cè)（如，X射線和伽馬射線天文學(xué)的觀測(cè)）也都可以進(jìn)行了。遺憾的是，這類火箭上的觀測(cè)只能持續(xù)幾分鐘。但是，天文觀測(cè)中很多重要的“第一次”就是在這幾分鐘里得到的。火箭在任務(wù)結(jié)束后會(huì)落在哪里是很難預(yù)測(cè)的，因而科學(xué)家也要小心，避免因?yàn)榘l(fā)射火箭而對(duì)鄰國(guó)造成了侵犯。

在飛機(jī)上裝備望遠(yuǎn)鏡是最常見的機(jī)載天文臺(tái)。不像氣球和火箭那樣，飛機(jī)上的科學(xué)儀器在觀測(cè)任務(wù)結(jié)束后不會(huì)毀壞，這意味著可以使用更昂貴的望遠(yuǎn)鏡。另外，飛機(jī)上也可以搭乘人員，以便直接操作望遠(yuǎn)鏡，飛機(jī)降落后還可以對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修和升級(jí)改造。不像氣球和火箭，飛機(jī)的航線更靈活，可以在飛行過(guò)程中隨時(shí)調(diào)整。飛機(jī)可以飛到某個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的最佳觀測(cè)位置上，而且如果一直往西飛（抵消地球自轉(zhuǎn)），還可以延長(zhǎng)觀測(cè)的時(shí)間。不過(guò)，航線得仔細(xì)地設(shè)計(jì)才行，要避開商業(yè)運(yùn)輸航線、軍事管制區(qū)、國(guó)境線、天氣不好和有湍流的天區(qū)。盡管飛機(jī)比氣球要昂貴，又不能像火箭飛得那樣高，但它仍是機(jī)載天文臺(tái)中最成功的一類，也是我們這篇文章介紹的重點(diǎn)。

圖中標(biāo)示了一些主要望遠(yuǎn)鏡的工作波段在電磁光譜中的位置（其中的幾個(gè)可以在不止一個(gè)波段進(jìn)行觀測(cè)，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(jī)載天文臺(tái)相當(dāng)復(fù)雜，但它卻比圖中其他的望遠(yuǎn)鏡都要便宜得多。

一切如何而始？

飛機(jī)剛發(fā)明，天文學(xué)家就表現(xiàn)出了對(duì)在更高海拔觀察宇宙的興趣。在20世紀(jì)20年代，天文家就已經(jīng)開始嘗試在飛機(jī)上進(jìn)行天文觀測(cè)了。從那時(shí)起，一直到20世紀(jì)60年代，這種機(jī)載天文臺(tái)實(shí)際上基本都是為了一個(gè)目的：觀測(cè)日全食。對(duì)那時(shí)的人們來(lái)說(shuō)，飛機(jī)觀測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)，就是可以把望遠(yuǎn)鏡放到觀測(cè)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(jī)還可以沿著與月影移動(dòng)相同的方向飛行，從而更長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)日全食。20世紀(jì)50年代，噴氣式飛機(jī)的發(fā)明大大提高了飛機(jī)的飛行速度，也大大延長(zhǎng)了可以觀測(cè)到日全食的時(shí)間。

機(jī)載天文學(xué)真正的突破是在20世紀(jì)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(gè)又干又冷的地方進(jìn)行觀測(cè)，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。空間天文臺(tái)大多是最近幾十年才升空的，雖然它們的觀測(cè)能力比機(jī)載望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大得多，但是一架裝備在飛機(jī)上的望遠(yuǎn)鏡卻比它們便宜得多。在機(jī)載天文臺(tái)的項(xiàng)目中，不乏非常成功的例子，如里爾天文臺(tái)（Learjet Observatory）、柯伊伯機(jī)載天文臺(tái)（Kuiper Airborne Observatory）以及平流層紅外天文臺(tái)（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，簡(jiǎn)稱SOFIA，故又稱索菲亞平流層紅外天文臺(tái)）。

著名的機(jī)載天文臺(tái)

01 1923年日全食觀測(cè)

1923年9月10日的日全食是人類最早嘗試在飛機(jī)上觀測(cè)的天文現(xiàn)象之一。美國(guó)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(duì)中經(jīng)驗(yàn)豐富的航空攝影師，現(xiàn)在一般認(rèn)為他是“機(jī)載天文學(xué)之父”。上尉和機(jī)組人員一起在飛機(jī)上觀看了日全食。他們同時(shí)也用照相干板對(duì)日食進(jìn)行了曝光，但遺憾的是其中沒(méi)有一張記錄下了全食時(shí)的景象。從天文學(xué)的角度看，這次任務(wù)可以說(shuō)徹底失敗了。但是，科學(xué)界、政界和媒體都對(duì)這次機(jī)載實(shí)驗(yàn)高度關(guān)注，希望能在將來(lái)看到更多的進(jìn)展。

阿爾伯特·W·斯蒂文上尉被很多人認(rèn)為是機(jī)載天文學(xué)之父。1932年9月10日，他拍攝了第一幅日全食時(shí)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?cè)诿绹?guó)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(jī)載觀測(cè)日全食。這次全食只有大約90秒，為了準(zhǔn)確地把握時(shí)機(jī)，人們做了周詳?shù)臏?zhǔn)備。此時(shí)技術(shù)已經(jīng)大為進(jìn)步，膠片代替了原來(lái)笨拙的干板，拍攝工作大獲成功。這次觀測(cè)的結(jié)果被用來(lái)精確推算月球繞地軌道的信息。

03空軍1932年日全食觀測(cè)

甜蜜湖的成功使美國(guó)天文學(xué)家和軍隊(duì)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(jìn)行下一次觀測(cè)。在這個(gè)高度上，氣壓很低（350毫巴，只比海平面的三分之一稍多點(diǎn)），而且極為寒冷（-40°C），飛行員和機(jī)組人員很難控制飛機(jī)和觀測(cè)設(shè)備。那時(shí)的飛機(jī)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(guò)在相機(jī)前安放特殊的濾鏡，科學(xué)家第一次在中紅外波段對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行了觀測(cè)。

04 二戰(zhàn)時(shí)及戰(zhàn)后的觀測(cè)

在隨后的幾十年里又有過(guò)幾次機(jī)載日全食觀測(cè)，但技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)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(cè)中，加拿大皇家空軍出動(dòng)了4架飛機(jī)，在16千米的高度上，拍攝了固定的照片和展現(xiàn)日食過(guò)程的電影。他們進(jìn)行了目視和紅外觀測(cè)，并且第一次使用了偏振濾鏡（測(cè)光）和光譜儀。而這一時(shí)期規(guī)模最大的科學(xué)遠(yuǎn)征行動(dòng)，是由美國(guó)國(guó)家地理學(xué)會(huì)組織的1948年5月8日日全食觀測(cè)。觀測(cè)者被派往中國(guó)、韓國(guó)、緬甸等國(guó)家，機(jī)載望遠(yuǎn)鏡則補(bǔ)充了地面觀測(cè)者無(wú)法到達(dá)地區(qū)的數(shù)據(jù)。盡管壞天氣毀掉了地面的觀測(cè)，飛機(jī)在天空中也遇到了很大的麻煩，但這次遠(yuǎn)征最終卻是成功達(dá)成了目標(biāo)。因?yàn)檫h(yuǎn)征的主要目的并非研究太陽(yáng)本身，而是利用月球和太陽(yáng)的位置提高地理測(cè)量的精度。在1954年6月30日的日全食觀測(cè)中，科學(xué)家第一次使用了有專門開放機(jī)艙的飛機(jī)，這樣的話，即使飛機(jī)航向不變，操作者也可以將望遠(yuǎn)鏡指向不同的方向。

0520世紀(jì)60年代：機(jī)載天文學(xué)的突破

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

07 “柯伊伯”機(jī)載天文臺(tái)

美國(guó)宇航局的下一步是將一架洛克希德C-141“運(yùn)輸星”（Starlifter）軍用運(yùn)輸機(jī)改造成機(jī)載天文臺(tái)——“柯伊伯”機(jī)載天文臺(tái)（KAO）。天文臺(tái)命名為“柯伊伯”，以紀(jì)念杰拉德·柯伊伯對(duì)機(jī)載天文學(xué)的重要貢獻(xiàn)。C-141比之前的飛機(jī)都要大得多，因此能夠搭載更大的望遠(yuǎn)鏡，以及多達(dá)20名工作人員。有了“伽利略”和“里爾”長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，“柯伊伯”的設(shè)計(jì)和電子設(shè)備都有所提高。另外，飛行時(shí)間也由“里爾”的2.5小時(shí)提高到了7.5小時(shí)。雖然“柯伊伯”的望遠(yuǎn)鏡是在開放機(jī)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(wú)需佩戴氧氣面罩。從1974到1995年，“柯伊伯”每年都進(jìn)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(guò)了漫長(zhǎng)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(jī)載天文臺(tái)，是原計(jì)劃于2001年服役的“索菲亞”（SOFIA）。

退役的“柯伊伯”機(jī)載天文臺(tái)（左）和“索菲亞”機(jī)載天文臺(tái)（右），位于美國(guó)宇航局埃姆斯研究中心。（圖片來(lái)源：NASA）

08 “索菲亞”——迄今最大的機(jī)載天文臺(tái)

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(guó)加利福尼亞州的帕姆達(dá)爾（Palmdale）。每次飛行的路線上標(biāo)記了時(shí)間和所觀測(cè)的天文目標(biāo)。黑線標(biāo)記的是沒(méi)有進(jìn)行觀測(cè)的“死時(shí)間”。橙色和黃色標(biāo)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(jì)飛行路線的難度。（圖片來(lái)源：NASA/DLR）

“索菲亞（SOFIA）”是“索菲亞平流層紅外天文臺(tái)”的簡(jiǎn)稱。這個(gè)天文臺(tái)處于一架波音747飛機(jī)上，裝載了一架中、遠(yuǎn)紅外望遠(yuǎn)鏡，其望遠(yuǎn)鏡直徑達(dá)到2.5米。1996年12月，德國(guó)空間局（DLR，以前稱為DARA）和美國(guó)宇航局簽署協(xié)議，開始聯(lián)合研制“索菲亞”。德國(guó)空間局負(fù)責(zé)“索菲亞”的望遠(yuǎn)鏡部分，制造工作由德國(guó)公司完成。美國(guó)宇航局則負(fù)責(zé)飛機(jī)（從泛美航空公司購(gòu)買）、機(jī)庫(kù)和飛行控制中心的工作，并與（美國(guó)）大學(xué)空間研究聯(lián)盟（USRA）簽訂合約，整合各機(jī)構(gòu)共同發(fā)展“索菲亞”項(xiàng)目。另外，美國(guó)宇航局也負(fù)責(zé)科學(xué)任務(wù)前的準(zhǔn)備、調(diào)試工作和項(xiàng)目的運(yùn)作。由于兩德統(tǒng)一，“索菲亞”項(xiàng)目整個(gè)推遲了5年。后來(lái)，由于一個(gè)美國(guó)宇航局合作方的破產(chǎn)，項(xiàng)目進(jìn)一步停滯了。到2006年2月，“索菲亞”項(xiàng)目的開銷已經(jīng)達(dá)到3.3億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最初預(yù)計(jì)的1.85億美元，因此，美國(guó)宇航局宣布暫停項(xiàng)目、重新評(píng)審。好在，“索菲亞”最終通過(guò)了審查并在2007年4月26日進(jìn)行了試飛?！八鞣苼啞庇?010年5月26日開始投入天文觀測(cè)，而這幾乎是在原計(jì)劃的十年之后了。但它確實(shí)取得了巨大的成功。全力工作時(shí)，“索菲亞”每年可以進(jìn)行超過(guò)100次飛行；可以說(shuō)，它是迄今最為先進(jìn)的機(jī)載天文臺(tái)。不幸的是，前幾周傳來(lái)了壞消息。2014年3月4日，白宮宣布“索菲亞”的資金將會(huì)減少85%，項(xiàng)目組將不得不在國(guó)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(guó)家。如果找不到，“索菲亞”飛機(jī)也許就只能回到機(jī)庫(kù)或者被賣掉了。在機(jī)載天文學(xué)誕生將近一百年后，上個(gè)月似乎宣布了世界上最大機(jī)載天文臺(tái)生命的終結(jié)。這實(shí)在是個(gè)悲傷的消息。不過(guò)，仍然有希望在，又或許，下一代機(jī)載望遠(yuǎn)鏡將在更大的飛機(jī)上建造，比如空客A380……

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

“索菲亞”主鏡吊裝到機(jī)艙的過(guò)程。（NASA）

06 “伽利略”和“里爾”首批天文學(xué)專用飛機(jī)

鑒于之前機(jī)載觀測(cè)的成功，新成立的美國(guó)宇航局決定購(gòu)買一架飛機(jī)“全職”用于天文研究。飛機(jī)命名為“伽利略”（Galileo），它正是在1965年的日全食觀測(cè)中完成了首飛。有了“伽利略”，科學(xué)家第一次在飛機(jī)上觀測(cè)除太陽(yáng)以外的天體，如太陽(yáng)系內(nèi)的行星和它們的衛(wèi)星。推動(dòng)“伽利略”項(xiàng)目的主要科學(xué)家之一，就是時(shí)任美國(guó)亞利桑那大學(xué)月球行星實(shí)驗(yàn)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(shí)震動(dòng)了天文學(xué)界。“伽利略”不幸在1973年與另一架飛機(jī)在空中相撞，導(dǎo)致機(jī)上全部人員喪生，項(xiàng)目也因此終結(jié)。

鑒于“伽利略”巨大的成功，原子能委員會(huì)和美國(guó)宇航局又建造了數(shù)架機(jī)載天文臺(tái)，“里爾”天文臺(tái)就是其中之一?！袄餇枴憋w行在15千米的高空中，可以進(jìn)行近、中、遠(yuǎn)各紅外波段的觀測(cè)。法國(guó)和英國(guó)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(hào)客機(jī)觀測(cè)了1973年6月30日的日全食。憑借2100千米/時(shí)的速度，他們追隨著月影飛行，“看”到了迄今為止最長(zhǎng)的日全食——足足74分鐘。

美國(guó)宇航局“伽利略”號(hào)飛機(jī)，由美國(guó)康維爾（Convair）990型飛機(jī)改造而成。（圖片來(lái)源：NASA）