Ett av de mest anmärkningsvärda observatorierna i världen utför sitt arbete inte på en bergstopp, inte i rymden, utan 45 000 fot högt på en Boeing 747. Nick Howes tog en titt runt detta unika flygplan när det gjorde sin första landning i Europa.
SOFIA (Stratosfäriskt observatorium för infraröd astronomi) kom från en idé som framfördes först i mitten av 1980-talet. Föreställ dig, sade forskare, att använda en Boeing 747 för att bära ett stort teleskop in i stratosfären där absorptionen av infrarött ljus av atmosfäriska vattenmolekyler minskar dramatiskt, även i jämförelse med de högsta markbaserade observatorierna. År 1996 hade den idén tagit ett steg närmare verkligheten när SOFIA-projektet formellt kom överens mellan NASA (som finansierar 80 procent av kostnaden för uppdraget på 330 miljoner dollar, ett belopp som kan jämföras med ett enda blygsamt rymduppdrag) och German Aerospace Center (DLR, som finansierar de övriga 20 procenten). Forskning och utveckling började på allvar med en mycket modifierad Boeing 747SP som heter 'Clipper Lindburgh' efter den berömda amerikanska piloten, och där 'SP' står för 'Special Performance'.
Maiden testflygningar flögs 2007, med SOFIA som opererade från NASA:s Dryden Flight Research Center vid Edwards Airforce Base i Rogers Dry Lake i Kalifornien – en trevlig, torr plats som hjälper till med instrumenteringen och flygplanet operativt.
Denna skalenliga modell visar teleskopets position och hur flygplanets design fungerar runt det. Kredit: Nick Howes.
När planet besökte Europeiska rymdorganisationens utbildningscenter för astronauter i Köln, Tyskland, fick jag en sällsynt möjlighet att se mig omkring i detta magnifika flygplan som en del av en 'Tweetup' (ett Twitter-möte). Det som direkt märktes var planets kortare längd jämfört med de man brukar flyga på, vilket gör att flygplanet kan stanna längre i luften, en avgörande aspekt för dess viktigaste passagerare, det 2,7 meter långa SOFIA-teleskopet. Dess primärspegel i storleken Hubble rymdteleskop är aluminiumbelagd och studsar ljuset till en sekundär på 0,4 meter, allt i en öppen burram som bokstavligen sticker ut från sidan av flygplanet.
Som vi har sett är skälet till att placera ett flertonsteleskop på ett flygplan att det genom att göra det är möjligt att undkomma de flesta av absorptionseffekterna av vår atmosfär. Observationer i infrarött är i stort sett omöjliga för markbaserade instrument på eller nära havsnivån och endast delvis möjligen även på höga bergstoppar. Vattenånga i vår troposfär (atmosfärens nedre lager) absorberar så mycket av det infraröda ljuset att traditionellt sett var det enda sättet att slå detta genom att skicka upp en rymdfarkost. SOFIA kan fylla en nisch genom att göra nästan samma jobb men med mycket mindre risk och med en mycket längre livslängd. Flygplanet har sofistikerade infraröda övervakningskameror för att kontrollera sin egen uteffekt, och vattenångaövervakning för att mäta den lilla absorption som sker.
Sofia-teleskopet ligger bakom multitonsramen och kontrollmekanismen. Kredit: Nick Howes.
Den 2,7 meter långa spegeln (även om egentligen bara 2,5 meter används i praktiken) använder en glaskeramisk komposit som är mycket termiskt tolerant, vilket är avgörande med tanke på de svåra förhållanden som flygplanet utsätter det isolerade teleskopet genom. Om man föreställer sig svårigheten att amatörastronomer har några nätter med teleskopstabilitet i blåsiga förhållanden, spara en tanke på SOFIA, vars enorma f/19.9 Cassegrain reflekterande teleskop måste hantera en öppen dörr till
800 kilometer i timmen (500 miles per timme) vindar .Nominellt kommer vissa operationer att ske på 39 000 fot (cirka 11 880 meter) snarare än det möjliga taket på 45 000 fot (13 700 meter), eftersom medan den högre höjden ger något bättre förhållanden i form av brist på absorption (fortfarande över 99 procent av vattenångan som orsakar de flesta av problemen), det extra bränsle som behövs gör att observationstiderna reduceras avsevärt, vilket gör de 39 000
fothöjd operativt bättre i vissa fall för att samla in mer data. Flygplanet använder ett smart designat luftintagssystem för att kanalisera och kanalisera luftflödet och turbulensen bort från det öppna teleskopfönstret, och när de pratade med piloterna och forskarna var de alla överens om att det inte var någon effekt som orsakades av någon effekt från flygplansmotorerna också .
Håller sig cool
Kamerorna och elektroniken på alla infraröda observatorier måste hållas vid mycket låga temperaturer för att undvika att termiskt brus från dem spills in i bilden, men SOFIA har ett ess i rockärmen. Till skillnad från ett rymduppdrag (med undantag för serviceuppdragen till rymdteleskopet Hubble som var och en kostar 1,5 miljarder dollar inklusive priset för att skjuta upp en rymdfärja), har SOFIA fördelen att kunna ersätta eller reparera instrument eller fylla på kylvätskan, vilket gör det möjligt att en beräknad livslängd på minst 20 år, mycket längre än något rymdbaserat infrarött uppdrag som får slut på kylvätska efter några år.
Samtidigt är teleskopet och dess vagga en teknisk bedrift. Teleskopet är i stort sett fixerat i azimut, med bara ett spel på tre grader för att kompensera för flygplanet, men det behöver inte röra sig i den riktningen eftersom flygplanet, som styrs av några av NASAs bästa, utför den uppgiften för det. Det kan fungera mellan 20–60 graders höjdområde under vetenskapsoperationer. Det hela har konstruerats för toleranser som får käken att falla. Lagersfären är till exempel polerad med en noggrannhet på mindre än tio mikron, och lasergyron ger vinkelsteg på 0,0008 bågsekunder. Isolerat från huvudflygplanet av en serie trycksatta gummistötfångare, som är höjdkompenserade, är teleskopet nästan helt fritt från huvuddelen av 747:an, som inrymmer datorerna och ställen som inte bara driver teleskopet utan tillhandahåller basstationen för eventuella observationsforskare som flyger med planet.
PI i himlen
Vetenskapsprincipens utredare får sitta relativt bekvämt nära teleskopet. Kredit: Nick Howes.
Principle Investigator-stationen är belägen runt flygplanets mittpunkt, flera meter från teleskopet men innesluten i planet (exponerad för luften på 45 000 fot skulle besättningen och forskarna annars omedelbart dödas). Här, under tio eller fler timmar åt gången, kan forskare samla in data när dörren öppnas och teleskopet pekar på det valda målet, där piloterna följer en exakt flygbana för att bibehålla både instrumentets pekningsnoggrannhet och även för att på bästa sätt undvika risken för turbulens. Medan markbaserade teleskop kan reagera snabbt på händelser som en ny supernova, är SOFIA mer regementerad i sina vetenskapliga verksamheter och med förslagscykler över sex månader till ett år måste man planera ganska exakt hur man bäst observerar ett objekt.
Förutsäga framtiden
Vetenskapsverksamheten startade 2010 med FORCAST (Faint Object Infrared Camera for Sofia Telescope) och fortsatte in i 2011 med instrumentet GREAT (tysk mottagare för astronomi vid Teraherz-frekvenser). FORCAST är ett mellan- och långt infrarött instrument som arbetar med två kameror mellan fem och fyrtio mikron (tillsammans kan de arbeta mellan 10–25 mikron) med ett synfält på 3,2 bågminuter. Den såg första ljuset på Jupiter och galaxen Messier 82, men kommer att arbeta med att avbilda det galaktiska centrumet, stjärnbildning i spiralformade och aktiva galaxer och även titta på molekylära moln, ett av dess primära vetenskapsmål som gör det möjligt för forskare att exakt bestämma stofttemperaturer och mer detaljer om morfologin för stjärnbildande regioner ner till mindre än tre bågsekunders upplösning (beroende på våglängden instrumentet arbetar vid). Parallellt med detta kan FORCAST också utföra grism (d.v.s. ett gitterprisma) spektroskopi, för att få mer detaljerad information om sammansättningen av föremål som visas. Det finns inget adaptivt optiksystem, men det behöver inte ett för de typer av operationer det gör.
FORCAST och GREAT är bara två av de 'grundläggande' vetenskapliga operationsinstrumenten, som även inkluderar Echelle-spektrografer, fjärrinfraröda spektrometrar och högupplösta bredbandskameror, men redan arbetar forskarteamet på nya instrument för nästa operationsfas. Instrumentbyte är, även om det är komplext, relativt snabbt (jämförbart med den tid det tar att byta instrument på större markobservatorier), och kan uppnås i beredskap för observationer, vilket planet siktar på att göra upp till 160 gånger per år. Och även om det inte fanns några bestämda planer på att bygga ett systerfartyg åt SOFIA, har det förekommit diskussioner bland forskare om att sätta ett större teleskop på en Airbus A380.
En modell av teleskopet visar dess unika kontroll- och rörelsemekanism samt den optiska rörenheten. Kredit: Nick Howes.
Sky Outreach
Med ett planerat vetenskapsambassadörsprogram som involverar lärare som flyger på flygplanet för att forska, kommer SOFIAs offentliga profil att växa. Den vetenskapliga produktionen och möjligheterna från instrument som ständigt utvecklas, är användbara och kan förbättras varje gång de landar är omätliga i jämförelse med rymduppdrag. Journalister hade bara nyligen fått möjligheten att besöka detta märkliga flygplan, och det var ett privilegium och en ära att vara en av de första som fick se det på nära håll. För det ändamålet vill jag tacka ESA och NASA för inbjudan och chansen att se något så unikt.