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我们坐飞机去旅游逛吃,天文学家们坐着飞机追星逐日发论文

|· 本文来自“我是科学家”·|

今年上半年,一组科学家在《自然》(Nature)上发表了一篇论文,宣布他们在星际空间中发现了宇宙诞生之后形成的第一种分子。

而他们找到这种分子,既不是靠固定在地面上的天文台,也不是遨游在太空中的望远镜,而是借助了当今一种十分便利的交通工具——飞机。

从半个多世纪前开始,天文学家就已经不只满足于坐飞机出差,而是要在飞机上建造天文台。

为什么会选中飞机?

提到天文台,很多人脑海中第一个想到的是一个半球:天文台的穹顶打开后,里面的望远镜可以对星空进行观测。随着航天技术的发展,天文学家又把望远镜送到了太空中。

与这二者相比,在飞机上进行天文观测有着独特的优势。水分子可以吸收天体发出的红外辐射,会干扰望远镜在红外波段的观测,所以世界上很多大型望远镜都要么建在空气稀薄的山顶上(比如夏威夷莫纳克亚山顶的天文台),要么建在空气干燥的沙漠中(比如智利阿塔卡玛沙漠中的望远镜),以尽量减少水汽的干扰。而飞机在高空飞行,就可以排除大气层中的水分子对红外观测的干扰

莫纳克亚山顶的天文台,从左至右分别为昴星团望远镜、凯克天文台的两台望远镜和美国国家航空航天局(NASA)红外望远镜设备 | Wikimedia Commons ,Bob Linsdell

位于阿塔卡玛沙漠的射电望远镜 | 阿塔卡玛大型毫米波阵列望远镜(ALMA)官网

飞机上的天文台还有一个优势就是行动灵活,可以迅速到达任何地点,对一些短暂发生的现象进行观测,比如追踪日食。飞机每次降落后,飞机携带的观测设备,比如相机,可以进行升级和维护,应用新技术开发的设备可以安装到飞机上,同时飞机上的设备也可以根据任务进行调整。这些对于绝大多数太空望远镜来说都是无法实现的[1]。

因此,高度介于地基望远镜和太空望远镜之间的机载天文台就有了用武之地。

在飞机上看星星

科学家在大气层中进行天文观测有一段很长的历史。1947年5月,天文学家就搭乘B-29轰炸机追逐日食[2]。不过,这架轰炸机只是临时借用,不能算是真正的机载天文台。

1965年,NASA使用经过改装的康维尔990型(Convair 990)飞机研究日食,拉开了NASA航空天文学的序幕。这架飞机被命名为“伽利略1号”(Galileo I),领导这项研究的是美国天文学家杰拉德·柯伊伯(Gerard Kuiper),太阳系在海王星轨道外充满大量微小天体的“柯伊伯带”就是以他的名字命名。

飞行中的伽利略1号。在飞机上方左侧,有多个用于观测的窗口 | 参考资料[1]

当时这架飞机在12000米的高度使用口径为30cm望远镜进行观测。借助这架飞机获得的观测结果,天文学家绘制了太阳的红外光谱,探测了金星的大气成分,发现金星云层中几乎没有水[3],还在天王星和海王星发现了甲烷[1]。

1968年,在弗兰克·劳(Frank Low)的领导下,NASA把一架里尔喷气机(Learjet 24B)改造成机载天文台。飞机的飞行高度大约在14000米到15000米之间。天文学家在机舱内安装了口径为30cm的望远镜,测量木星的远红外光度[3]。

左图:里尔喷气机天文台,望远镜就安装在机翼的前方。右图:1968年,科学家卡尔·吉莱斯皮(Carl Gillespie)正在使用望远镜 | 参考资料[1]

在里尔喷气机天文台的基础上,NASA发展出了以机载天文台先驱柯伊伯命名的柯伊伯机载天文台(Kuiper Airborne Observatory, KAO)。这个天文台是在一架经过改造的C-141运输机上搭载了一台口径91cm的反射式望远镜。

左图:1980年拍摄的柯伊伯机载天文台,此时望远镜舱门(位于机翼前方)处于打开状态。右图:柯伊伯机载天文台机舱内部,望远镜与机舱被隔离开,因此望远镜舱门打开不会对机舱的气压造成影响 | 参考资料[1]

从1975年至1995年,柯伊伯机载天文台以NASA位于美国加州的艾姆斯研究中心为基地,工作了20年的时间。在此期间,天文学家使用柯伊伯机载天文台研究太阳系,观测银河系和河外星系。具体来说,他们的研究对象包括冥王星的大气、天王星的光环、太空中的复杂有机分子以及彗星及木星大气中的水。他们甚至使用KAO在航天飞机的隔热板重返地球大气层时在红外波段对它进行研究。丰富的研究成果转化为约1000篇论文,并且为美国和其他国家的大约50位博士生的博士论文贡献了宝贵资料。

“索菲亚”来了

1995年,为了让下一代机载天文台登场,柯伊伯机载天文台光荣退役。新一代的机载天文台拥有更强大的红外望远镜,这就是同温层红外线天文台(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA),中文名是“索菲亚”。科学家就是使用这架飞机上的望远镜发现了宇宙诞生之后形成的第一种分子。

1994年时“索菲亚”的设计方案 | 参考资料[3]

“索菲亚”由NASA和德国航空航天中心(DLR)共同运营。他们选择了一架波音747SP飞机来搭载目前为止最大的机载望远镜(直径2.7米),这架飞机曾经为美国泛美航空公司(Pan American World Airways)和美国联合航空公司(United Airlines)工作过。NASA负责改造和维护这架飞机,提供飞机的支持系统以及机组成员,而DLR负责设计、建造和维护这台望远镜。

左图:飞行中的同温层红外线天文台。右图:机舱内部,负责操纵望远镜和分析数据的科学家坐在机舱后部,正对望远镜 | 参考资料[1]

“索菲亚”在2014年时正式“上岗”。它每周能执行3次或更多的飞行任务,每次飞行时间大约为10小时,最大飞行高度可以达到15000米。飞行时,飞机上会有20人左右,他们负责驾驶飞机、控制望远镜以及收集观测到的数据。

我们再来看看这台望远镜的细节特征。它由特殊的玻璃材料制成,这种材料有着几乎零膨胀的特性,可以不受从地面到高空的温度变化的影响。望远镜的后部有蜂窝状设计,使得它可以比同样尺寸的大多数望远镜轻大约80%。一个复杂的稳定系统可以使望远镜免受飞机飞行的干扰,保证它在飞行过程中能够始终对准观测目标。

望远镜后部的蜂窝状结构 | 参考资料[1]

天文学家可以使用“索菲亚”进行多个领域的研究,对象包括恒星的诞生和死亡,新的类太阳系的形成,太空中的复杂分子,太阳系中的行星、彗星和小行星,天体的磁场以及星系中心的黑洞等。

里尔喷气机天文台、柯伊伯机载天文台和同温层红外线天文台的尺寸比较 | 参考资料[1]

除了科学研究外,两代机载天文台在科学教育方面也发挥了重要的作用。20世纪90年代,NASA就利用柯伊伯机载天文台开展了名为“科学教师培训飞行机会”的项目。全美每年有数十位基础教育阶段的科学教师有机会搭乘这架飞机,亲身观察和体验研究过程,这对他们激发学生们对科学、技术、工程和数学(STEM)的兴趣,培养未来的科学家和工程师有很大帮助。“索菲亚”飞机更大,飞行次数更多,因此就能为科学教师提供更多参与的机会[4]。

在机载天文台发展的半个多世纪的时间里,它们虽然不像大型地基天文台或者太空望远镜那样受人瞩目,但是在天空中飞翔的时候,却一直在拓宽我们认识宇宙的视野。也许未来有一天,我们坐飞机不再只为了旅游和出差,而是有机会像天文学家一样去高空追日食看星星。(编辑:Yuki)

参考资料:

[1]https://www.nasa.gov/feature/history-of-airborne-astronomy-at-nasa
[2]https://www.slideserve.com/drake-olsen/airborne-astronomy-powerpoint-ppt-presentation
[3]https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19960003712.pdf
[4]https://www.researchgate.net/publication/4704081_Flight_opportunities_for_science_teacher_enrichment

题图来源:pexels

The End

发布于2019-09-20, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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鞠强

英国杜伦大学粒子物理与宇宙学硕士,研究方向为暗物质与引力透镜。目前从事科普图书出版工作。

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