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Sep. 23 2019

我們坐飛機去旅遊,天文學家們坐著飛機追星逐日發論文

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  • 茂納開亞山頂的天文臺,從左至右分別為昴星團望遠鏡、凱克天文臺的和美國航太總署(NASA)的紅外望遠鏡設備| Wikimedia Commons ,Bob Linsdell

  • 位於阿塔卡瑪沙漠的電波望遠鏡| 「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列」(ALMA)官網

  • 飛行中的伽利略1號。在飛機上方左側,有多個用於觀測的窗口| 參考資料[1]

  • 左圖:里爾噴氣機天文臺,望遠鏡就安裝在機翼的前方。右圖:1968年,科學家卡爾.吉萊斯皮(Carl Gillespie)正在使用望遠鏡| 參考資料[1]

  • 左圖:1980年拍攝的柯伊伯機載天文臺,此時望遠鏡艙門(位於機翼前方)處於打開狀態。右圖:柯伊伯機載天文臺機艙內部,望遠鏡與機艙被隔離開,因此望遠鏡艙門打開不會對機艙的氣壓造成影響| 參考資料[1]

  • 1994年時「索菲亞」的設計方案| 參考資料[3]

  • 左圖:飛行中的同溫層紅外線天文臺。右圖:機艙內部,負責操縱望遠鏡和分析數據的科學家坐在機艙後部,正對望遠鏡| 參考資料[1]

  • 望遠鏡後部的蜂窩狀結構| 參考資料[1]

  • 里爾噴氣機天文臺、柯伊伯機載天文臺和同溫層紅外線天文臺的尺寸比較| 參考資料[1]

坐在飛機上看星星是怎樣的感覺?

今年上半年,一組科學家在《自然》(Nature)上發表了一篇論文,宣布他們在星際空間中發現了宇宙誕生之後形成的第一種分子。

而他們找到這種分子,既不是靠固定在地面上的天文臺,也不是遨遊在太空中的望遠鏡,而是藉助了當今一種十分便利的交通工具──飛機。

從半個多世紀前開始,天文學家就已經不只滿足於坐飛機出差,而是要在飛機上建造天文臺。

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為什麼會選中飛機?

提到天文臺,很多人腦海中第一個想到的是一個半球:天文臺的穹頂打開後,裡面的望遠鏡可以對星空進行觀測。隨著航天技術的發展,天文學家又把望遠鏡送到了太空中。

與這二者相比,在飛機上進行天文觀測有著獨特的優勢。水分子可以吸收天體發出的紅外線,會干擾望遠鏡在紅外波段的觀測,所以世界上很多大型望遠鏡不是建在空氣稀薄的山頂上(比如夏威夷茂納開亞火山頂的天文臺),就是建在空氣乾燥的沙漠中(比如智利阿塔卡瑪沙漠中的望遠鏡),以盡量減少水氣的干擾。而飛機在高空飛行,就可以排除大氣層中的水分子對紅外觀測的干擾。

茂納開亞山頂的天文臺,從左至右分別為昴星團望遠鏡、凱克天文臺的和美國航太總署(NASA)的紅外望遠鏡設備| Wikimedia Commons ,Bob Linsdell

茂納開亞山頂的天文臺,從左至右分別為昴星團望遠鏡、凱克天文臺的和美國航太總署(NASA)的紅外望遠鏡設備| Wikimedia Commons ,Bob Linsdell

位於阿塔卡瑪沙漠的電波望遠鏡| 「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列」(ALMA)官網

位於阿塔卡瑪沙漠的電波望遠鏡| 「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列」(ALMA)官網

飛機上的天文臺還有一個優勢就是行動靈活,可以迅速到達任何地點,對一些短暫發生的現象進行觀測,比如追踪日食。飛機每次降落後,飛機攜帶的觀測設備,比如相機,可以進行升級和維護,應用新技術開發的設備可以安裝到飛機上,同時飛機上的設備也可以根據任務進行調整。這些對於絕大多數太空望遠鏡來說都是無法實現的[1]。

因此,高度介於地基望遠鏡和太空望遠鏡之間的機載天文臺就有了用武之地。

在飛機上看星星

科學家在大氣層中進行天文觀測有一段很長的歷史。1947年5月,天文學家就搭乘B-29轟炸機追逐日食[2]。不過,這架轟炸機只是臨時藉用,不能算是真正的機載天文臺。

1965年,NASA使用經過改裝的康維爾990型(Convair 990)飛機研究日食,拉開了NASA航空天文學的序幕。這架飛機被命名為「伽利略1號」(Galileo I),領導這項研究的是美國天文學家杰拉德.柯伊伯(Gerard Kuiper),太陽系在海王星軌道外充滿大量微小天體的「柯伊伯帶」(Kuiper Belt)就是以他的名字命名。

飛行中的伽利略1號。在飛機上方左側,有多個用於觀測的窗口| 參考資料[1]

飛行中的伽利略1號。在飛機上方左側,有多個用於觀測的窗口| 參考資料[1]

當時這架飛機在1萬2000公尺的高度使用口徑為30cm望遠鏡進行觀測。借助這架飛機獲得的觀測結果,天文學家繪製了太陽的紅外光譜,探測了金星的大氣成分,發現金星雲層中幾乎沒有水[3],還在天王星和海王星發現了甲烷[1]。

1968年,在弗蘭克.勞(Frank Low)的領導下,NASA把一架里爾24B(Learjet 24B)改造成機載天文臺。飛機的飛行高度大約在1萬4000公尺到1萬5000公尺之間。天文學家在機艙內安裝了口徑為30cm的望遠鏡,測量木星的遠紅外光度[3]。

左圖:里爾噴氣機天文臺,望遠鏡就安裝在機翼的前方。右圖:1968年,科學家卡爾.吉萊斯皮(Carl Gillespie)正在使用望遠鏡| 參考資料[1]

左圖:里爾噴氣機天文臺,望遠鏡就安裝在機翼的前方。右圖:1968年,科學家卡爾.吉萊斯皮(Carl Gillespie)正在使用望遠鏡| 參考資料[1]

在里爾噴氣機天文臺的基礎上,NASA發展出了以機載天文臺先驅柯伊伯命名的柯伊伯機載天文臺(Kuiper Airborne Observatory, KAO)。這個天文臺是在一架經過改造的C-141運輸機上搭載了一個91cm口徑的反射式望遠鏡。

左圖:1980年拍攝的柯伊伯機載天文臺,此時望遠鏡艙門(位於機翼前方)處於打開狀態。右圖:柯伊伯機載天文臺機艙內部,望遠鏡與機艙被隔離開,因此望遠鏡艙門打開不會對機艙的氣壓造成影響| 參考資料[1]

左圖:1980年拍攝的柯伊伯機載天文臺,此時望遠鏡艙門(位於機翼前方)處於打開狀態。右圖:柯伊伯機載天文臺機艙內部,望遠鏡與機艙被隔離開,因此望遠鏡艙門打開不會對機艙的氣壓造成影響| 參考資料[1]

從1975年至1995年,柯伊伯機載天文臺以NASA位於美國加州的艾姆斯研究中心為基地(Ames Research Center),服役了20年的時間。在此期間,天文學家使用柯伊伯機載天文臺研究太陽系,觀測銀河系和河外星系。具體來說,他們的研究對象包括冥王星的大氣、天王星的光環、太空中的複雜有機分子以及彗星及木星大氣中的水。他們甚至使用KAO觀測太空梭隔熱板在重返地球大氣層時所發出的紅外波段。豐富的研究成果轉化為約1000篇論文,並且為美國和其他國家的大約50位博士生的博士論文貢獻了寶貴資料。

索菲亞來了

1995年,為了讓下一代機載天文臺登場,柯伊伯機載天文臺光榮退役。新一代的機載天文臺擁有更強大的紅外望遠鏡,這就是同溫層紅外線天文臺(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA),中文名是「索菲亞」。科學家就是使用這架飛機上的望遠鏡發現了宇宙誕生之後形成的第一種分子。

1994年時「索菲亞」的設計方案| 參考資料[3]

1994年時「索菲亞」的設計方案| 參考資料[3]

「索菲亞」由NASA和德國航空航天中心(DLR)共同運營。他們選擇了一架波音747SP(Boeing 747SP)飛機來搭載目前為止最大的機載望遠鏡(直徑2.7公尺),這架飛機曾經為美國泛美航空公司(Pan American World Airways)和美國聯合航空公司(United Airlines)服役過。NASA負責改造和維護這架飛機,提供飛機的支持系統以及機組成員,而DLR負責設計、建造和維護這組望遠鏡。

左圖:飛行中的同溫層紅外線天文臺。右圖:機艙內部,負責操縱望遠鏡和分析數據的科學家坐在機艙後部,正對望遠鏡| 參考資料[1]

左圖:飛行中的同溫層紅外線天文臺。右圖:機艙內部,負責操縱望遠鏡和分析數據的科學家坐在機艙後部,正對望遠鏡| 參考資料[1]

「索菲亞」在2014年時正式「上崗」。它每週能執行3次或更多的飛行任務,每次飛行時間大約為10小時,最大飛行高度可以達到1萬5000公尺。飛行時,飛機上會有20人左右,他們負責駕駛飛機、控制望遠鏡以及收集觀測到的數據。

我們再來看看這組望遠鏡的細節特徵。它由特殊的玻璃材料製成,這種材料有著幾乎零膨脹的特性,可以不受從地面到高空的溫度變化的影響。望遠鏡的後部有蜂窩狀設計,使得它可以比同樣尺寸的大多數望遠鏡輕大約80%。一個複雜的穩定係統可以使望遠鏡免受飛機飛行的干擾,保證它在飛行過程中能夠始終對準觀測目標。

望遠鏡後部的蜂窩狀結構| 參考資料[1]

望遠鏡後部的蜂窩狀結構| 參考資料[1]

天文學家可以使用「索菲亞」進行多個領域的研究,對象包括恆星的誕生和死亡,新的類太陽系的形成,太空中的複雜分子,太陽系中的行星、彗星和小行星,天體的磁場以及星系中心的黑洞等。

里爾噴氣機天文臺、柯伊伯機載天文臺和同溫層紅外線天文臺的尺寸比較| 參考資料[1]

里爾噴氣機天文臺、柯伊伯機載天文臺和同溫層紅外線天文臺的尺寸比較| 參考資料[1]

除了科學研究外,兩代機載天文臺在科學教育方面也發揮了重要的作用。1990年代,NASA就利用柯伊伯機載天文臺開展了名為「科學教師培訓飛行機會」的項目。全美每年有數十位基礎教育階段的科學教師有機會搭乘這架飛機,親身觀察和體驗研究過程,這對他們激發學生們對科學、技術、工程和數學的興趣,培養未來的科學家和工程師有很大幫助。「索菲亞」飛機更大,飛行次數更多,因此就能為科學教師提供更多參與的機會[4]。

在機載天文臺發展的半個多世紀的時間裡,它們雖然不像大型地基天文臺或者太空望遠鏡那樣受人矚目,但是在天空中飛翔的時候,卻一直在拓寬我們認識宇宙的視野。也許未來有一天,我們坐飛機不再只為了旅遊和出差,而是有機會像天文學家一樣去高空追日食看星星。

 

參考資料:

[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

本文來源於果殼網(微信公眾號:Guokr42),這是一個開放、多元的泛科技主題網站,提供負責任、有智趣的科技主題內容,歡迎關注他們。如需轉載請直接聯繫sns@guokr.com。

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