SOFIA天文台。图片来源：NASA photo / Jim Ross
SOFIA望远镜曾确认月球上有水，但其科学产出被认为不能与运营成本相匹配，NASA和德国航空航天中心（DLR）决定让它退役。今年9月30日后，人类将不再拥有大型机载天文台。
撰文 | 王昱
审校 | 白德凡
1995年12月，一架波音747SP退役了，它从1977年开始为美国泛美航空公司工作，在1986年被转卖给美国联合航空公司，机龄18年。大型客机的使用寿命一般在25～30年之间，退役后一般会被改造成货机继续使用。但这架客机却并没有等来物流公司的订单，它的下一任雇主并不寻常——它被NASA买下了。1997年，NASA经过一系列手续买下了这架飞机，计划给它装上望远镜，将其改造成新一代机载红外天文台——索菲亚平流层红外天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）。
为什么要大费周章把望远镜搬到飞机上？主要还是为了避开大气层的干扰。大气层保护着地面上的生命，但它也阻挡了星光。海拔越高，大气层厚度越薄，观测受到的干扰也就越少；海拔越高，大气中的含水量就越低，对天文观测（尤其是红外）就越有利。这两项指标正好和大多数生物的生存条件相反，可以说，优秀的天文台址一定是寸草不生的——去年发现的青海冷湖台址也是如此。天文学家一直想把望远镜送到尽可能高的地方，能高到太空里自然是最好，但成本太高、风险太大。而大气层内的气球、飞机自然成了折中的选择。
机载天文学
对于将望远镜搬到飞机上进行天文观测这件事，NASA其实有着丰富的经验。早在1963年，一群NASA艾姆斯研究中心的科学家就展开了一项观测日食的冒险。他们登上一架道格拉斯DC-8，追着日食的路径一路飞行，这大大延长了他们对日食的观测时间。同时，高空大气稀薄，散射较弱，日食时天空背景比地面上更暗，天文学家能在空中看到距离太阳更近的天体（在地面上它们被太阳的光亮遮挡住了）。总之，这是一次十分成功的观测，让NASA决定在这个技术路线上继续探索。
NASA选中了康维尔990型客机，给它装上望远镜改造成了伽利略机载天文台（Galileo Airborne Observatory）。这样的天文台被制造了两架，分别名为伽利略Ⅰ和伽利略Ⅱ。和之前的尝试相比，伽利略机载天文台有了红外观测能力。但它的命运非常悲惨，1973年4月12日，伽利略Ⅰ在降落时和一架的美国海军巡逻机相撞，两架飞机共16人遇难，只有军用飞机上的1人幸存。1985年7月17日，伽利略Ⅱ在起飞时爆胎，飞机停止起飞，但在随后起火，整架飞机葬身火海，所有设备和文档都被烧毁，所幸无人遇难。
1965年伽利略Ⅰ在研究日食时的照片，机身上放一排开孔为观测窗口。图片来源：NASA
1975年，柯伊伯机载天文台（Kuiper Airborne Observatory）投入运行，它由一架洛克希德C-141军用战略运输机改装而来，搭载了图画91.5厘米口径的望远镜，观测波段在1～500微米之间。它可以观测太阳系、银河系乃至银河系外的天体，科学家甚至用它观测过航天飞机重返大气层时的隔热罩。
1980年，飞行中的柯伊伯机载天文台与其内部。图片来源：NASA
索菲亚
1995年，柯伊伯机载天文台退役，它显著的成果让NASA决定“再来一票大的”。于是，1997年，NASA买下了那架波音747SP，拉上德国航空航天中心（DLR）一起，按照80%：20%的出资比例，修建SOFIA。而那架被买下的波音747SP，呼号从此也变成了NASA747。
建成后的SOFIA有效口径可达2.5米，观测波段在0.3～1600微米之间，为了隔绝飞行期间的震动，望远镜被安装在飞机内的一个云台上。运行过程中，它会先飞到11～14千米的高空，然后打开侧盖，将望远镜镜面直接接触高空的高速气流。这时，它位于大气层99%的水蒸气上方，足以获得理想的观测质量。
SOFIA每次飞行将有8小时的观测时间，每周可以飞行3次，预计有20年的寿命。它大部分时候部署在NASA阿姆斯特朗飞行研究中心，有时也会被部署在德国、智利和新西兰等地——后两个国家是为了观测只有能在南半球才能看到的天体。自2014年投入使用以来，它已经执行了800多次科学飞行任务。
作为目前地球上唯一的大型机载天文台，SOFIA的地位是独一无二的，它也获得了独一无二的成果。2020年，它观测了月球克拉维斯环形山上被阳光照射的部分，在其中检测到了清晰的6微米红外信号，结合之前的研究，科学家确认，只有月球上的水分子能释放这样的信号，这也是人类首次确认月球上有水。
高昂的支出
但是SOFIA的开销也不容忽视。NASA表示SOFIA每年的运营成本约为8500万美元，几乎和哈勃空间望远镜的运营费用相当。就算SOFIA能用机翼挣脱地球引力飞上天空，也难以逃脱现实的引力——NASA开始怀疑SOFIA是否值得。2019年，两项NASA委托的审查都强调，SOFIA并没有产出大量高被引出版物。在运行的前6年，科学家只用它发表了178篇论文，而哈勃空间望远镜运行的6年间发表了900多篇论文。
作为回应，SOFIA项目换上了新的主管玛格丽特·梅克斯纳（Margaret Meixner），更加重视望远镜的科学产出。梅克斯纳表示：“过去三年中SOFIA发生了巨大的变化。”SOFIA的论文产出率翻了一番，已经可以和欧洲航天局的赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory）相媲美——这同样是一个功勋卓著的红外望远镜，不过相比于SOFIA，赫歇尔运行在太空中。
但最终，SOFIA还是没能通过2020年美国天文学“十年调查”的评审。专家委员会认为SOFIA的科学产出不能和其运营成本相匹配，并且SOFIA和未来美国天文学界着重研究的方向重合不大。最终，NASA表示，SOFIA将在2022年9月30日之前停止运营。现实的引力太过沉重，设计寿命20年的SOFIA只能在8岁时匆匆着陆。
马上，这架1977年首飞的波音747SP就会退休了。它的科学数据将会逐步公开，红外天文学的使命也会由詹姆斯·韦布空间望远镜接手。
参考链接：
https://www.sofia.usra.edu
https://www.nasa.gov/feature/nasa-partner-decide-to-conclude-sofia-mission
https://www.nasa.gov/feature/history-of-airborne-astronomy-at-nasa
https://aircraft.fandom.com/wiki/Galileo_Airborne_Observatory
https://www.scientificamerican.com/article/costly-sofia-telescope-faces-termination-after-years-of-problems/
https://en.wikipedia.org/wiki/Stratospheric_Observatory_for_Infrared_Astronomy
