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