机载天文学

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven）/ 翻译 程思淼

机载天文学

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven）/ 翻译 程思淼

打开舱门的“索菲亚”。（图片来源：NASA/DLR）

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）百人计划学者。

什么是机载天文学？

绝大多数望远镜是陆基（在地面上）的，人们大抵也都知道“哈勃”这样的空间望远镜（在太空中）。此外还有一类,它们也是在天空中工作的——机载天文台。

机载天文台又可以分为三种：

1望远镜在飞机上；

2望远镜在气球上；

3望远镜在火箭上。

地球的大气层对可见光和射电波段几乎是完全透明的。因此，光学和射电观测的望远镜可以建在地球表面。但是，对紫外、X射线和伽马射线的天文观测，就只能到太空中去。而对于红外和微波辐射，在地面几乎没法观测，理论上说也应该到太空中去。但如图中所示，在高空飞行的飞机上进行红外观测仍然是可能的，也正是因此我们建造了“索菲亚”等机载天文台。

空中望远镜有何用处？

地球的大气层对可见光和射电波段是透明的，但对于其他波段的电磁波，它会吸收掉其中的大部分。这些波段包括远红外和中红外（被温室气体吸收）、紫外（被臭氧吸收）、X射线和伽马射线（主要被高层大气分子吸收并导致其电离）。当然，可见光和射电波段的天文观测可以在地面上进行，而对于其他所有波段，即使在高山上修建望远镜，也很难进行观测。因此，只有飞到高处去，躲避地球大气层的阻挡，才能对这些波段进行有效的观测。

一种办法是发射天文卫星到太空中去（比如，哈勃空间望远镜），或者把望远镜建在空间站上，甚至到月球上去建造望远镜。这种办法从天文学的角度看是很理想的，但开销实在太大。因此有了第二种办法，即望远镜仍在地球附近（大气层内），不过飞得尽量高些，到绝大部分大气分子之上就可以了。虽然头顶上稀薄的大气仍会吸收一部分来自宇宙的辐射，但在那样的高度上，已经可以进行足够好的天文观测了。重要的是，这种方法的成本只有向太空发射一颗卫星的几百甚至几千分之一！

气球、火箭和飞机

充满氢气或氦气的气球能在空中停留长达几个月的时间，这是它的一个巨大优点。气球可以飞到高达35千米的大气层上部进行观测，并由搭载的通讯设备向天文学家传输观测结果。或者，也可以等气球重新回到地面后从探测器上取回数据。同时，气球的成本也相对便宜，并且不需要工作人员时刻操作。当然，气球的主要缺点在于它完全随风而动。它可能飞越大洋到另一个国家的上空，也可能不幸坠落在任何地方。

偶尔，这些天文气球能将太阳光反射到地面某个地方（由于它飞得很高，甚至在晚上也可能看到这种闪光），不了解情况的居民会把它们当成不明飞行物（UFO）。

如果想在更高的大气层开展观测，则需要用到天文火箭。这些火箭并不飞到太空中去，它们只是飞到很高的空中，进行观测，然后再回到地面上。这比发射一枚飞向太空的火箭要便宜得多，而在这样一个比飞机和气球都要高得多的位置上，很多观测（如，X射线和伽马射线天文学的观测）也都可以进行了。遗憾的是，这类火箭上的观测只能持续几分钟。但是，天文观测中很多重要的“第一次”就是在这几分钟里得到的。火箭在任务结束后会落在哪里是很难预测的，因而科学家也要小心，避免因为发射火箭而对邻国造成了侵犯。

在飞机上装备望远镜是最常见的机载天文台。不像气球和火箭那样，飞机上的科学仪器在观测任务结束后不会毁坏，这意味着可以使用更昂贵的望远镜。另外，飞机上也可以搭乘人员，以便直接操作望远镜，飞机降落后还可以对望远镜进行维修和升级改造。不像气球和火箭，飞机的航线更灵活，可以在飞行过程中随时调整。飞机可以飞到某个目标对应的最佳观测位置上，而且如果一直往西飞（抵消地球自转），还可以延长观测的时间。不过，航线得仔细地设计才行，要避开商业运输航线、军事管制区、国境线、天气不好和有湍流的天区。尽管飞机比气球要昂贵，又不能像火箭飞得那样高，但它仍是机载天文台中最成功的一类，也是我们这篇文章介绍的重点。

图中标示了一些主要望远镜的工作波段在电磁光谱中的位置（其中的几个可以在不止一个波段进行观测，图中显示的是主要工作波段）。尽管操作一架像“索菲亚”这样的机载天文台相当复杂，但它却比图中其他的望远镜都要便宜得多。

一切如何而始？

飞机刚发明，天文学家就表现出了对在更高海拔观察宇宙的兴趣。在20世纪20年代，天文家就已经开始尝试在飞机上进行天文观测了。从那时起，一直到20世纪60年代，这种机载天文台实际上基本都是为了一个目的：观测日全食。对那时的人们来说，飞机观测的主要优点，就是可以把望远镜放到观测日全食所需要的任何地理位置上去，而且它也能够飞到云层之上。另外，飞机还可以沿着与月影移动相同的方向飞行，从而更长时间观测日全食。20世纪50年代，喷气式飞机的发明大大提高了飞机的飞行速度，也大大延长了可以观测到日全食的时间。

机载天文学真正的突破是在20世纪60年代中红外传感器发明之后。既然天文学家能够在大气层高处这个又干又冷的地方进行观测，那么，在中红外波段观察恒星和星系也就第一次成为了可能。空间天文台大多是最近几十年才升空的，虽然它们的观测能力比机载望远镜强大得多，但是一架装备在飞机上的望远镜却比它们便宜得多。在机载天文台的项目中，不乏非常成功的例子，如里尔天文台（Learjet Observatory）、柯伊伯机载天文台（Kuiper Airborne Observatory）以及平流层红外天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，简称SOFIA，故又称索菲亚平流层红外天文台）。

著名的机载天文台

01 1923年日全食观测

1923年9月10日的日全食是人类最早尝试在飞机上观测的天文现象之一。美国陆军航空兵阿尔伯特·W·斯蒂文上尉是参与其中的一名飞行员。他是军队中经验丰富的航空摄影师，现在一般认为他是“机载天文学之父”。上尉和机组人员一起在飞机上观看了日全食。他们同时也用照相干板对日食进行了曝光，但遗憾的是其中没有一张记录下了全食时的景象。从天文学的角度看，这次任务可以说彻底失败了。但是，科学界、政界和媒体都对这次机载实验高度关注，希望能在将来看到更多的进展。

阿尔伯特·W·斯蒂文上尉被很多人认为是机载天文学之父。1932年9月10日，他拍摄了第一幅日全食时投影在地球表面的月影照片。

02 出征甜蜜湖

1930年4月28日，人们在美国加利福尼亚州东北部的甜蜜湖（Honey Lake，因湖面像心形而得名）地区再次尝试机载观测日全食。这次全食只有大约90秒，为了准确地把握时机，人们做了周详的准备。此时技术已经大为进步，胶片代替了原来笨拙的干板，拍摄工作大获成功。这次观测的结果被用来精确推算月球绕地轨道的信息。

03空军1932年日全食观测

甜蜜湖的成功使美国天文学家和军队官方大受鼓舞，他们变得更加雄心勃勃，打算在海拔8千米的高度上进行下一次观测。在这个高度上，气压很低（350毫巴，只比海平面的三分之一稍多点），而且极为寒冷（-40°C），飞行员和机组人员很难控制飞机和观测设备。那时的飞机还是“敞篷”的，所以工作人员不得不暴露在这种恶劣环境下操作设备。尽管如此，这次任务仍然获得了高质量的结果，通过在相机前安放特殊的滤镜，科学家第一次在中红外波段对太阳进行了观测。

04 二战时及战后的观测

在随后的几十年里又有过几次机载日全食观测，但技术发展的重点更多地偏向军事、气象和地理用途。在1945年7月9日的日全食观测中，加拿大皇家空军出动了4架飞机，在16千米的高度上，拍摄了固定的照片和展现日食过程的电影。他们进行了目视和红外观测，并且第一次使用了偏振滤镜（测光）和光谱仪。而这一时期规模最大的科学远征行动，是由美国国家地理学会组织的1948年5月8日日全食观测。观测者被派往中国、韩国、缅甸等国家，机载望远镜则补充了地面观测者无法到达地区的数据。尽管坏天气毁掉了地面的观测，飞机在天空中也遇到了很大的麻烦，但这次远征最终却是成功达成了目标。因为远征的主要目的并非研究太阳本身，而是利用月球和太阳的位置提高地理测量的精度。在1954年6月30日的日全食观测中，科学家第一次使用了有专门开放机舱的飞机，这样的话，即使飞机航向不变，操作者也可以将望远镜指向不同的方向。

0520世纪60年代：机载天文学的突破

喷气式飞机的发展和红外传感器的问世，为机载天文学开启了新的天地。1963年，首次喷气式飞机机载观测任务在美国道格拉斯飞机公司的赞助下完成。同年，《禁止在大气层、外层空间和水下进行核武器试验条约》签订。于是，洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory，LANL）不得不为三架本来用于核试验的飞机找点“新工作”。但由于冷战的需要，这些飞机又要能随时准备投入战争。因此，实验室最终决定将它们暂时用于天文观测。为了观测1965年5月30日的日全食，科学家又准备了另外四架飞机：其中一架来自新成立的美国宇航局（NASA），一架来自美国空军，另外两架来自原子能委员会（Atomic Energy Commission）。一共七架飞机协同完成了这次从新西兰到秘鲁的海上日全食观测。

07 “柯伊伯”机载天文台

美国宇航局的下一步是将一架洛克希德C-141“运输星”（Starlifter）军用运输机改造成机载天文台——“柯伊伯”机载天文台（KAO）。天文台命名为“柯伊伯”，以纪念杰拉德·柯伊伯对机载天文学的重要贡献。C-141比之前的飞机都要大得多，因此能够搭载更大的望远镜，以及多达20名工作人员。有了“伽利略”和“里尔”长期的实践经验，“柯伊伯”的设计和电子设备都有所提高。另外，飞行时间也由“里尔”的2.5小时提高到了7.5小时。虽然“柯伊伯”的望远镜是在开放机舱中的，但工作人员却可以在加压舱（常温、常压）里操作设备，无需佩戴氧气面罩。从1974到1995年，“柯伊伯”每年都进行大约70次科学飞行，研究了大量的天体，包括行星、卫星、星系以及星际气体。在走过了漫长的科学发现生涯后，“柯伊伯”于1995年退役。接替“柯伊伯”的下一代机载天文台，是原计划于2001年服役的“索菲亚”（SOFIA）。

退役的“柯伊伯”机载天文台（左）和“索菲亚”机载天文台（右），位于美国宇航局埃姆斯研究中心。（图片来源：NASA）

08 “索菲亚”——迄今最大的机载天文台

图中显示了“索菲亚”2011年5月一次飞行路线样本。起飞和着陆都是在美国加利福尼亚州的帕姆达尔（Palmdale）。每次飞行的路线上标记了时间和所观测的天文目标。黑线标记的是没有进行观测的“死时间”。橙色和黄色标记了的那些有不同程度限制的空域，它们的存在更增加了设计飞行路线的难度。（图片来源：NASA/DLR）

“索菲亚（SOFIA）”是“索菲亚平流层红外天文台”的简称。这个天文台处于一架波音747飞机上，装载了一架中、远红外望远镜，其望远镜直径达到2.5米。1996年12月，德国空间局（DLR，以前称为DARA）和美国宇航局签署协议，开始联合研制“索菲亚”。德国空间局负责“索菲亚”的望远镜部分，制造工作由德国公司完成。美国宇航局则负责飞机（从泛美航空公司购买）、机库和飞行控制中心的工作，并与（美国）大学空间研究联盟（USRA）签订合约，整合各机构共同发展“索菲亚”项目。另外，美国宇航局也负责科学任务前的准备、调试工作和项目的运作。由于两德统一，“索菲亚”项目整个推迟了5年。后来，由于一个美国宇航局合作方的破产，项目进一步停滞了。到2006年2月，“索菲亚”项目的开销已经达到3.3亿美元，远远超过最初预计的1.85亿美元，因此，美国宇航局宣布暂停项目、重新评审。好在，“索菲亚”最终通过了审查并在2007年4月26日进行了试飞。“索菲亚”于2010年5月26日开始投入天文观测，而这几乎是在原计划的十年之后了。但它确实取得了巨大的成功。全力工作时，“索菲亚”每年可以进行超过100次飞行；可以说，它是迄今最为先进的机载天文台。不幸的是，前几周传来了坏消息。2014年3月4日，白宫宣布“索菲亚”的资金将会减少85%，项目组将不得不在国际上寻求资金。目前，“索菲亚”管理层正在积极寻找其他能够支持和使用“索菲亚”的国家。如果找不到，“索菲亚”飞机也许就只能回到机库或者被卖掉了。在机载天文学诞生将近一百年后，上个月似乎宣布了世界上最大机载天文台生命的终结。这实在是个悲伤的消息。不过，仍然有希望在，又或许，下一代机载望远镜将在更大的飞机上建造，比如空客A380……

“索菲亚”的操作室。图片是由机头位置向后方拍摄的，所以远处即为“索菲亚”红外望远镜机械部分的侧面支撑机构和挂载的终端设备。操作室与望远镜室是完全隔离开的。飞机驾驶室位于机舱二层。（NASA）

“索菲亚”主镜吊装到机舱的过程。（NASA）

06 “伽利略”和“里尔”首批天文学专用飞机

鉴于之前机载观测的成功，新成立的美国宇航局决定购买一架飞机“全职”用于天文研究。飞机命名为“伽利略”（Galileo），它正是在1965年的日全食观测中完成了首飞。有了“伽利略”，科学家第一次在飞机上观测除太阳以外的天体，如太阳系内的行星和它们的卫星。推动“伽利略”项目的主要科学家之一，就是时任美国亚利桑那大学月球行星实验室（Lunar and Planetary Lab）主任的荷兰裔天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper）。柯伊伯拍摄了金星的近红外光谱，指出金星的云层并不由水组成，这一发现着实震动了天文学界。“伽利略”不幸在1973年与另一架飞机在空中相撞，导致机上全部人员丧生，项目也因此终结。

鉴于“伽利略”巨大的成功，原子能委员会和美国宇航局又建造了数架机载天文台，“里尔”天文台就是其中之一。“里尔”飞行在15千米的高空中，可以进行近、中、远各红外波段的观测。法国和英国的天文学家也不甘落后，他们使用超音速飞行的“协和”号客机观测了1973年6月30日的日全食。凭借2100千米/时的速度，他们追随着月影飞行，“看”到了迄今为止最长的日全食——足足74分钟。

美国宇航局“伽利略”号飞机，由美国康维尔（Convair）990型飞机改造而成。（图片来源：NASA）