每次升空烧掉100万美元，这架没有窗户的波音客机还能看到冥王星

天文观测是一项非常有难度的挑战，因为大气中水汽、尘埃以及折射、电磁辐射、地表光污染等多种因素都会干扰到观测，于是才诞生了空间望远镜，把望远镜搬到天上去。宇宙中大多数迷人的天体基本都是从光谱中红色区域散发能量，陆基望远镜观测能力有限，毕竟地球大气层所含的水蒸气会吞噬很大一部分的红外辐射。但是发射一具空间望远镜非常昂贵，哈勃望远镜在1990年代的造价是15亿美元，每年维护费用为1亿美元，而且直径2.4米的镜面还需要航天飞机才能送上轨道，这些都增加了部署和运营成本，不是所有国家都能承受得起。

图注：哈勃望远镜在1990年代的造价是15亿美元，由航天飞机送入轨道

图注：在轨道上的哈勃望远镜

NASA最先进的韦伯望远镜，造价已经突破88亿美元，已经比肩许多国家的GDP，因此空间望远镜是个烧钱的无底洞。那么有些科学家想，可以把望远镜搬到飞机上，在平流层上运行，这样就大大降低了水汽、光污染等干扰，而且费用也不高，这个方案很快得到了落实。

NASA研究发现，如果飞行高度达到1.2万米，能够远离水蒸气的影响。还有一个必须考虑的影响因素是宇宙中存在会遮挡可见光线的巨型尘埃云。尘埃云对红外辐射影响为零，所以红外探测仪可以透过尘埃云，探测云内的物质。因此把望远镜搬到天文可以进一步研究恒星诞生过程、追踪太空有机分子的来源、彗星观测等，甚至是宇宙黑洞。

图注：大气湍流对天文观测的影响

图注：利用空基望远镜追踪日食是可延长观测时间

那些会飞的望远镜

1966年，航空天文学开始兴起，毕竟航空工业也逐渐发展起来。行星科学家Gerard Kuiper博士在一架康维尔990型飞机（被命名为Galileo I：伽利略1号）上安装了一台30厘米望远镜，接着航空天文学的可行性被首次证实，科学家开始将红外望远镜放到飞机上。1974至1995年，柯伊伯机载天文台正式运行，一台91厘米的反射望远镜被装载在改装的C-141运输机上。柯伊伯机载天文台的观测范围很大，从银河系、黑洞到彗星、有机分子都可以观测。

图注：1947年科学家在一架B-17轰炸机中安装了望远镜，对太阳进行观测，这也是早期的夸父追日

图注：Learjet 24B飞机安装的简易望远镜

1968年，NASA在Learjet 24B飞机上安装了望远镜，飞行高度为1.4万米，可对木星等太阳系天体进行观测。1948年，美国国家地理学会借用了两架B-29轰炸机，上演现实版的“夸父追日”，飞行区域在红海和沙特上空，使得日食持续时间增加了数分钟。1981年，美国宇航局改装了一架C-141运输机，搭载一台36英寸直径的反射望远镜，这台飞行的望远镜还飞行了冥王星的大气层，观测了天王星的环结构等，甚至对1987A超新星爆发余辉进行观测。1996年，NASA和德国共同合作，准备改装一架大型客机，安装直径2.5米的反射式红外望远镜，这就是目前最先进的飞行望远镜：索菲亚SOFIA同温层红外天文台。

图注：C-141运输机改装的空基望远镜

索菲亚SOFIA同温层红外望远镜

SOFIA是一架由波音747SP改造而成的飞机，装载一台2.5米直径的望远镜，将被列为世界最大、敏感度最高的飞行天文台。索菲亚天文台可以飞1.2万米至1.4万米左右的高度，这是连目前世上最先进的陆基望远镜都无法企及的飞行高度，在这个海拔高度，索菲亚基本不受到地球大气层水蒸气的影响。索菲亚天文台异于普通天文台，作用是利用不同类型的红外光探测星云和星系。索菲亚虽然没有配备和陆基望远镜一样的超大直径镜面，也没有像红外史匹哲太空望远镜那样直接脱离地球的大气层干扰，但能够探测到大部分波长的光，并对微妙的色差进行分辨，而且可以在地球上任何一个空域飞行，观测范围很大，还能观测到冥王星。

图注：索菲亚同温层红外望远镜，注意后舱观测门已经开打

图注：NASA两代空基望远镜，分别是索菲亚同温层红外望远镜和C-141运输机改装的空基望远镜

图注：NASA三代会飞的望远镜

索菲亚机身侧面安装有空腔谐振器，方便望远镜对外探测，获取最高清的红外图像。索菲亚一次航程的持续时间是8至9小时，花费大约100万美元。坐落于美国加利福尼亚州的艾姆斯研究中心每周2至3次科研飞行，起飞抵达就位于最艾姆斯研究中心的莫菲特场，不过一年当中有1至2个月会从南半球基地出发，偶尔还会从德国等世界各地机场起飞，毕竟在索菲亚所含的8个主要设备中，属于德国开发的就有3个。自2010年起，SOFIA天文台就服务于太空红外探测，预计将于20世纪30年代终止运行。

索菲亚天文台的内部进行了大量改进，取消了舷窗，控制室内陈列了可供各领域工作人员的控制台，飞行人员和驾驶员在飞机上层，飞机的前端则仍保留座椅，工作人员可以坐在座椅上享受飞机升降、并欣赏窗外的风景，当索菲亚飞至南半球，整个机组人员就可以观赏到美丽的极光。

图注：索菲亚同温层红外望远镜的望远镜安装位置

图注：索菲亚同温层红外望远镜内部舱室划分格局

尖端天文台必定烧钱，2017年索菲亚的运行总成本就已经达到8520万美元，都可以和哈勃太空望远镜并列为美宇航局耗资最多的太空探索项目之一，德国航空航天中心也负担了索菲亚项目大概20%的成本。一般情况下，在望远镜踏足太空的瞬间，它的研发就此终止。但是按时降落的索菲亚天文台却需要不断升级，增加投入。比如，2015年，德国航空航天中心对索菲亚上的GREAT设备进行升级，升级后的索菲亚可以探测深空中疑似参与过宇宙早期化学反应过程的氦氢化物分子。此前，科学家已经预测此类分子的存在。去年，索菲亚高分辨率机载宽带相机HAWC+面世，从此索菲亚可以对宇宙中的天体磁场进行成像，帮助科学家进一步研究磁场在恒星形成过程中所扮演的角色。

索菲亚的另一个优势是探测范围，传统的望远镜有针对性的探测波段设计，就算是强大的詹姆斯韦伯太空望远镜，探测范围仍然十分局限。索菲亚的红外光谱仪观测波长为几微米至几百微米之间，科学家可以通过燃烧恒星发出的明亮可见光判断恒星的位置，发现宇宙星系、星云甚至尘埃云中昏暗、低温物体，这种功能就好比人类戴着红外防护镜在夜晚观测，高精密度的索菲亚望远镜还能找到阴影和阴影之间的不同，这涉及到分子指纹技术。作为世上最大型的飞行天文台，索菲亚的图像画质较早期提高了3倍，灵敏度也有了质的飞跃，能够在需要的时候飞到目的地对各种天体事件进行观测。

图注：索菲亚同温层红外望远镜内部结构

索菲亚机身的望远镜来源于德国先进航空航天公司Kayser-Threde GmbH和MAN Technologie的联合设计。德国宇航中心不仅领导整个望远镜项目，还在整个项目的运营过程中贡献了20%的力量，于是获得索菲亚一定比例的珍贵探测时间。

索菲亚天文台的科学贡献

2015年夏，来自麻省理工学院的科学家Michael Person就通过索菲亚对冥王星进行探测。该团队长期研究冥王星的大气层，方法是利用凌星观测，该现象发生时，冥王星正巧经过遥远的恒星，从而留下阴影。索菲亚望远镜就会借助遥远星光穿透冥王星大气层的那个时间点，观测冥王星周围的气体并从中提取有用信息。

图注：冥王星的图像一直非常模糊

由于凌星的阴影途经地球的路线基本都落至海上，甚至根本都不会出现，那么会飞的望远镜优势就很明显了。索菲亚望远镜可以在太平洋上空寻找冥王星的凌星信号，结果发现冥王星大气层两种不同的颜色，证明为冥王星的图像不清晰是因为存在霾的可能。大概两周后，美国宇航局新视野号飞抵冥王星，结果发现冥王星的轨道图像确实模糊不清，进一步证明了是冥王星大气本身的问题。这些年，索菲亚重启了两项太空观测计划，包括由观测恒星，判断恒星风是干扰了其他恒星的形成；探索银河系中心一块相当于4个满月大小区域的主要成分。科学家怀疑应该是存在某种物质、或者现象阻碍着恒星的形成过程，科学家寄希望于索菲亚拍摄的高清图像找出那个物质或现象究竟是什么。在下一次日全食任务中，NASA制定了长达2000多公里的飞行计划，将再次上演现实版的“夸父追日”。

就算强大的詹姆斯韦伯太空望远镜升空入轨，但索菲亚望远镜的互补优势使其在美宇航局天文望远镜中的地位屹立不倒，甚至更有利用价值。索菲亚的设备对银河系可以进行高清扫描并绘制成图，这些图像能够提高太空望远镜的探测效率。

本文系网易新闻.网易号“各有态度”特色内容