同温层天文学堡垒——SOFIA
机载天文台SOFIA作为柯伊伯机载天文台的后继者，是美国宇航局和德国航空航天中心（DLR）的合作项目，由大学空间研究联合会掌管，主要工作在红外波段。其望远镜由波音747-SP飞机搭载，是迄今最大的机载天文台，已于今年4月进行了第一次测试飞行。
艺术家笔下的SOFIA。（图片提供：Lynette Cook）
SOFIA简介
SOFIA是同温层红外天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy）的缩写，属于NASA起源计划的组成部分，也是计划中唯一的机载天文台。该计划旨在建造大型廉价望远镜，并搜索地外生命。
望远镜的载机为波音747-SP型，每次飞行持续时间约7.5小时，巡航高度41000英尺（约12500米）。这一高度的空气稳定而干燥，摆脱了99%以上的水蒸气干扰，且透明度极高，为红外观测提供了绝好的环境。为了容纳望远镜，机身在L-3 Communications公司进行了大规模的改造，主要是在机翼和尾翼之间增设了望远镜舱和活动舱门，并换装了电子设备和大功率引擎。
正在进行改装的747-SP载机，机身后方的浅色部分为望远镜舱。（图片提供：USRA）
SOFIA的望远镜主镜口径为98.4英寸（约合2.5米），与大名鼎鼎的威尔逊山胡克望远镜相当。它是德国航空航天中心研制的，由德国MAN Technologies AG承建。为减轻重量，增加强度，主镜镜坯采用了蜂窝结构。
SOFIA的主镜镜坯。（图片提供：USRA）
望远镜光路则为Nasmyth式结构，焦比约为20，分辨率优于1角秒。主镜表面镀有铝反射层，副镜则全为金属铝制成。由于机舱的限制，望远镜只能在20至60度之间俯仰。与一般地面望远镜不同的是，SOFIA的机械架台主要安放在望远镜一侧。
望远镜的机械结构，总重约8吨。（图片提供：DLR）
与前任柯伊伯机载天文台相同，SOFIA在正式投入使用后也将以NASA的Ames研究中心为基地。其每年的计划飞行次数约为160次。观测申请每年评估一次，其中有20%的观测时间分配给德国，其余由美国和其他各国天文界共享。
观测任务则主要有访客和队列两种模式，前者是各仪器的首席研究人员乘机进行的，后者为SOFIA小组成员为未搭乘飞机的申请者完成。除此之外，SOFIA的成员还要进行短时间的维护观测。
按计划，SOFIA本应于2001年投入使用。但由于资金等问题，计划甚至一度中止，而正式飞行的时间也是一拖再拖。2004年8月，SOFIA的望远镜首次观测星空。今年4月26日，SOFIA首度进行了正式飞行测试，而投入使用的时间还未最后敲定。
观测设备
由美国和德国各大学和研究机构开发的第一批科学设备包括11台不同的仪器，覆盖波长从0.3微米到1.6毫米，这相当于整个红外波段外加亚毫米波段有余。
用于正式观测的仪器有9台，按设计目标和面向对象不同可分为3组。3台设备级（Facility-class）仪器包括HAWC（高分辨率机载宽波段照相机）、FORCAST（SOFIA望远镜暗天体红外照相机）和FLITECAM（红外开光测试实验照相机），旨在为不具备红外天文仪器背景及观测技巧的研究人员提供可靠而先进的仪器。首席研究员级（Principal Investigator-class）仪器共有5台，分别为EXES（十字形阶梯光栅摄谱仪）、CASIMIR（加州理工学院亚毫米波星际介质研究接收机）、SAFIRE（亚毫米波和远红外实验）、FIFI LS（视场成象远红外谱线摄谱仪），以及GREAT（德国T Hz频率天文学接收机）。专用仪器（Special Purpose Instrument）为HIPO（高速掩星成象光度计），专门针对前两类设备不能完成的观测而设计。一般观测者使用后两类仪器时，按规定必须有SOFIA仪器小组的批准，并要在其帮助下操作。各仪器的介绍可以从这里下载到。
左：FORCAST（红色部分）正在帕洛玛天文台的5米海耳望远镜上测试。右：HIPO（黑色）和FLITECAM（蓝色管状物）正在洛威尔天文台进行测试。（图片提供：USRA）
除此之外，SOFIA还备有导星照相机和水蒸气监视器作为辅助，后者可以随时测量某方向上水蒸气的量，帮助校准仪器。
由于望远镜结构限制，每次飞行一般只能携带9台观测设备中的一台，且最多每隔一周更换一次。
仪器在望远镜上的安装情况。（图片提供：USRA）
与早先的ISO、IRAS和当前的斯必泽等太空望远镜相比，SOFIA的性能并不逊色（甚至还要强于前者），只是略微逊于计划中的赫歇尔望远镜。而其超宽的波长范围更是其不可比拟的优势。因此红外天文界对其寄予厚望，希望它能开拓出一片新的天空。
IRAS（黄）、ISO（绿）、斯必泽（蓝）、柯伊伯机载天文台（粉）、SOFIA（红）和赫歇尔（黑）的空间分辨率比较，其中红色实线表示SOFIA的目标，虚线表示最低要求。（图片提供：USRA）
科学目标
SOFIA使得对中红外和远红外的常规观测成为可能，并可与地面和空间各波段望远镜一道进行联合观测。
SOFIA的主要科研目标有四：太阳系、恒星形成和演化、星际介质，以及星系演化。
对于太阳系，起源研究当然是天文界的重点。红外光谱可以提供太阳系小天体的成分信息，进而找出原始太阳星云的组成线索。SOFIA的高分辨率还可以测量小行星数据，拍摄行星大气结构，并可以象前任柯伊伯机载天文台那样，通过掩星研究类木行星环系。
恒星的形成和演化是红外天文学的长项，SOFIA自然不能错过这一领域。埋藏在分子云中的原恒星在可见光波段不可见，但却发出明亮的红外辐射。凭借超高的分辨率，SOFIA可以单独观测某颗原恒星，帮助人们了解其组成、结构、质量和周边环境等特性，进一步了解恒星演化的图景。
星际介质的辐射集中在中远红外和亚毫米波段，SOFIA的覆盖波段使其成为研究其连续谱辐射和谱线的合适选择。由于星际介质反映的是星系整体的历史，天文学家希望能利用SOFIA了解银河系的化学演化、星际物质物理特性的分布以及星际有机分子的情况。
至于星系，SOFIA将主要集中于观测互扰星系、星系团和中高红移星系，并进行ISO观测的后续工作如研究超亮红外星系等。利用其高分辨率，人们还可以首次分离出星系的核区辐射，以进一步了解活动星系核及星爆星系。
另外，SOFIA还担负着为将来的太空望远镜测试新技术的任务，有望与赫歇尔望远镜联合工作。而其较长的使用寿命也可以让研究者在当前的斯必泽太空望远镜退役后继续探讨未解决的问题。
NASA起源计划的时间表（图片提供：NASA）
公众影响
SOFIA专门设有机载天文学使者计划，可以让教育工作者和业余爱好者参与科研飞行。在尚未正式运转时，SOFIA小组就已经组织各种活动，如教师参观、在爱好者的聚会中亮相等。SOFIA甚至还登上了Ames中心所在地——Mountain View的电话簿封面。
2005年Mountain View电话簿的封面，左下为SOFIA。（图片提供：USRA）
参考资料：
[1] SOFIA主页：http://www.sofia.usra.edu/Sofia/sofia.html
[2] Milestones in Airborne Astronomy: From the 1920’s to the Present by Wendy Whiting Dole
[3] From Ugly Duckling to Beautiful Swan by Richard Tresch Fienberg, SKYtonight.com, October 16, 2006
[4] SOFIA: The Future of Airborne Astronomy by E. F. Erickson and J. A. Davidson
