待在同溫層的天文望遠鏡--SOFIA

隨著科技的發展,人們以不同的方式來探索這個宇宙。除了大眾熟知的建立在地面上的望遠鏡、在外太空運行的望遠鏡以外,還有一種是在空中航行的「空載型望遠鏡」。同溫層紅外線天文台(SOFIA)就是目前的代表。這架從民航退役的波音747系列機當中搭載了紅外線望遠鏡。由於在同溫層中飛行,水氣含量只有平地的百分之一,因此得以在空中觀測因水氣吸收而無法來到地面的紅外光。讓我們能在地球上欣賞來自宇宙的紅外線所呈現的面貌。

同溫層紅外線天文台。可以看到機艙篇後方的位置有個方洞。裡面就放了望遠鏡的主鏡。圖片出處  NASA/Jim Ross [1]
撰文/許世穎

同溫層紅外線天文台

一般我們所知道的天文望遠鏡可以概分成:地面上的(ground-based)以及在外太空的(space-based)兩大類。這兩種方法各有優缺點:在地面上的望遠鏡操作、維修較方便,造價也較便宜。然而不是所有來自宇宙的光都能夠順利抵達地面,有些波段的光是無法穿透大氣的,因此必須搬到外太空、改以太空望遠鏡來觀測。這些太空望遠鏡最大的優點當然就是不會有大氣的影響,可以得到相較於地面觀測更為清晰、甚至是無法觀測的圖像。但要把任何儀器發射到外太空的造價著實不菲。除了這兩種以外,還有一種比較少見的望遠鏡:稱為空載型(airbone)天文望遠鏡,放在飛機上!

同溫層紅外線天文台(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,簡寫為SOFIA),是由美國國家航太總署(NASA)、德國航空太空中心(DLR)、以及大學太空研究協會(Universities Space Research Association) 等機構共同發展的太空望遠鏡計畫。這個望遠鏡是一個2.7米口徑的主鏡,架設在一台曾在泛美航空和聯合航空服務過的波音747SP上面。飛機在約1萬2千公尺高的大氣同溫層中飛行,進行遠紅外線、次毫米波段的觀測 [1]。

之所以選擇在同溫層(又稱平流層)進行觀測相當重要的原因是要減少大氣擾動。大氣的穩定、氣候的乾燥在天文觀測中是相當關鍵的條件。世界上許多大型的、仍在進行前沿研究的地面型天文望遠鏡大多建立在這樣子的地點(如夏威夷、智利等)。而在同溫層這個高度,大氣中水氣含量只有平地的百分之一左右,能夠大幅降低水氣的吸收,同時也能避免近地大氣的空氣污染、對流層大氣擾動所帶來的影響(如圖1)。

 

圖1:大氣擾動對天文觀測所造成的影響。即便是用同一組設備,不同的大氣擾動條件下可能會帶來品質差異非常大的影像。圖片來源:NSO/Nick [2]
SOFIA的飛行載具是波音747SP,是大型飛機波音747系列中的一型。字尾的SP意義為「特殊性能(Special Performance)」。這型飛機比其他同系列飛機機身略短,但續航力超強 [3]。一架大型飛機裡面這麼大的空間當然不會只有望遠鏡而已,望遠鏡以外其他空間讓操作者得以在裡面直接操作、監控(如圖2)。另外,雖然空載型望遠鏡可以有效避免水氣的影響,但飛機飛行本身以及飛行中強烈的風所造成的震動都會影響觀測,因此也有其他的設備來盡量減緩這些晃動 [1]。

圖2:SOFIA內部照片。偌大的空間中除了望遠鏡儀器以外,操作者也可以直接監控、校正、分析數據。圖片來源:Rachel Luna/The Sun, SCNG [4]
SOFIA自2010年開始航行進行觀測,主要的觀測目標為行星大氣、彗星、以及星際物質的成分等(如圖3)。目前較為出名的研究成果包含在火星上氧原子的偵測。在過去這必須要靠發射太空衛星才能做到。有了SOFIA以後,在地球上就能進行觀測,這項研究也修正了原先的估計含量 [5]。

圖3:木星在可見光以及SOFIA用紅外線所拍攝的影像。圖片來源:NASA/SOFIA/USRA/FORCAST Team/James De Buizer (infrared image), Anthony Wesley (visible light image) [1]
空載型望遠鏡及他們的貢獻

雖然SOFIA是現存唯一的空載型天文望遠鏡。但其實在這之前有另外兩代已經退役的前輩 [6]。空載型望遠鏡的優點除了能有效降低水氣的影響以外,另一個特點就是不受地形的限制,得以移動到較佳的地點進行觀測。早在1965年,天文學家就曾用口徑只有約30公分的NASA伽利略空運天文台(Galileo Airborne Observatory)在日食時追著月球的影子,將觀測時間大幅的拉長,觀測了一次完整的日食現象(見圖4)。 

圖4:1963年伽利略空運天文台(Galileo Airborne Observatory)及其拍攝的日食圖片。圖片來源:[7]
到了1975年,接續的NASA柯伊伯空載型望遠鏡(Kuiper Airborne Observatory,簡稱為KAO)則搭載了約90公分口徑主鏡的望遠鏡。KAO最為著名的發現是在1977年發現了天王星的行星環系統 [8]。從天王星對背後恆星的掩星觀測當中,找到了至少五個行星環的存在證據。KAO其他重要的觀測結果包括冥王星的大氣觀測 [9]、太空中的複雜有機分子觀測等 [6]。最後才到了第三代的SOFIA。跟前輩們比起來,SOFIA不只主鏡口徑變大,飛機的性能也大幅度的提升(如圖5)。

圖5:三代空載型天文望遠鏡、搭載的飛行載具的大小比較。圖片來源:NASA/SOFIA/L. Proudfit [6]
空載型天文望遠鏡除了用飛機(airplane-based)來搭載以外,還可以使用熱氣球(balloon-based)。科學研究使用熱氣球來搭載儀器其實不算少數 [10],搭載天文望遠鏡的熱氣球計畫目前也正在進行中。這台稱為 ASTHROS (全名為Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-wavelengths [11])的熱氣球天文望遠鏡將會配備2.5公尺口徑主鏡,在高達40公里的高空進行紅外線觀測。這個高度接近平流層的上界,能夠在穩定的航行下擁有最少的大氣擾動。預計於2023年12月開始航行。

不同波段的光能給予我們不同的資訊,而不同的光也有著不同的性質、適合不同的方法來觀測。天文研究上,我們有在外太空的、在天空中的、在地上的。其他領域也有在地底的、在冰層的、在海面下的。每個地點都有著不同的困難要克服,在克服這些困難的過程當中,也能看到許多的創意發想。未來還會出現什麼樣有趣的觀測方法呢?就讓我們拭目以待!

 

參考資料:

  1. SOFIA Science Center
  2. Discover the COSMOS/Astronomical Seeing
  3. Wikipedia/波音747SP
  4. Los Angeles Daily News/ Inside SOFIA, NASA’s airborne infrared telescope
  5. Rezac et al., First detection of the 63μm atomic oxygen line in the thermosphere of Mars with GREAT/SOFIA, A&A (2015)
  6. NASA History of Airborne Astronomy at NASA
  7. SP-4302 Adventures in Research: A History of Ames Research Center 1940-1965
  8. ELLIOT, J., DUNHAM, E. & MINK, D. The rings of Uranus. Nature 267, 328–330 (1977). https://doi.org/10.1038/267328a0
  9. Elliot, J. L. ; Dunham, E. W. ; Bosh, A. S. et al. Pluto's atmosphere. Icarus, 77, Issue 1, January 1989, Pages 148-170
  10. Wikipedia Category:Balloon-borne experiments
  11. JPL/ASTROS
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