Инфракрасная обсерватория SOFIA на борту Boeing 747SP

Введение

Инфракрасная телескопическая система, установленная на переоборудованном Boeing 747 SP.

Стратосферная обсерватория для инфракрасной астрономии (SOFIA) была совместным проектом НАСА и Немецкого аэрокосмического центра (DLR) в соотношении 80/20, направленным на создание и поддержание функционирования воздушной обсерватории. В 1996 году НАСА заключило контракт с Ассоциацией исследований космических университетов (USRA) на разработку самолета, эксплуатацию обсерватории и управление американской частью проекта. Немецкий институт SOFIA (DSI; Deutsches SOFIA Institut) отвечал за немецкую часть проекта, которая была в основном связана с научными исследованиями и телескопом. Первый свет телескопа SOFIA был зарегистрирован 26 мая 2010 года. SOFIA была преемницей Космической обсерватории Койпера. Во время 10-часовых ночных полетов она наблюдала небесные магнитные поля, области звездообразования, кометы, туманности и центр Галактики. Научные полеты завершены после приземления 921-го и последнего рейса ранним утром 29 сентября 2022 года. Boeing 747SP, использовавшийся для перевозки телескопа, был сохранен и выставлен в Музее авиации и космонавтики Пима недалеко от Тусона, штат Аризона.

Объект

SOFIA была создана на базе Boeing 747SP – укороченной версии широкофюзеляжного самолета, который был модифицирован для установки большой двери в хвостовой части фюзеляжа. Эта дверь могла открываться в полете, обеспечивая доступ в небо для рефлекторного телескопа большого диаметра. Этот телескоп был разработан для проведения инфракрасных астрономических наблюдений в стратосфере на высоте около 41000 футов (12497 м). Возможность полетов позволяла SOFIA подниматься выше почти всего водяного пара в атмосфере Земли, который блокирует некоторые инфракрасные волны, не давая им достичь поверхности. На крейсерской высоте самолета было доступно 85% всего инфракрасного диапазона. Самолет также мог летать над практически любой точкой земной поверхности, что позволяло проводить наблюдения в обоих полушариях – северном и южном. Наблюдательные полеты выполнялись три-четыре ночи в неделю. Обсерватория SOFIA базировалась в Исследовательском центре полетов имени Армстронга НАСА, расположенном в региональном аэропорту Палмдейл, штат Калифорния, а Научный центр SOFIA – в Исследовательском центре Эймса в Маунтин-Вью, штат Калифорния.

Телескоп

В СОФИИ используется рефлекторный телескоп, оснащенный первичным зеркалом большого диаметра, что было характерно для большинства крупных инфракрасных телескопов. Оптическая система имеет конструкцию рефлектора Кассегрена с параболическим первичным зеркалом и дистанционно настраиваемым гиперболическим вторичным зеркалом. Чтобы телескоп поместился в фюзеляж, первичное зеркало было выполнено с фокусным отношением, равным 1,3, в то время как полученная оптическая схема имеет фокусное отношение 19,7. Плоское, третичное дихроическое зеркало использовалось для отклонения инфракрасной части пучка в фокус Насмита, где он мог быть проанализирован. Для системы наведения камеры использовалось оптическое зеркало, расположенное за третичным зеркалом. Телескоп располагался за большой дверью в левом борту фюзеляжа, вблизи хвостовой части самолета, и первоначально был оснащен девятью приборами для инфракрасной астрономии в диапазоне длин волн от 1 до 655 микрометров (мкм) и высокоскоростной оптической астрономии в диапазоне от 0,3 до 1,1 мкм. Основными приборами были FLITECAM – ближняя инфракрасная камера, охватывающая диапазон 1–5 мкм; FORCAST, охватывающий средневолновый инфракрасный диапазон 5–40 мкм; и HAWC, охватывающий дальний инфракрасный диапазон 42–210 мкм. Другие четыре прибора включают оптический фотометр и инфракрасные спектрометры с различными спектральными диапазонами. В период эксплуатации телескоп SOFIA был самым крупным телескопом, размещенным на борту самолета. Для каждой миссии к телескопу подключался один сменный научный прибор. Были доступны две группы приборов общего назначения. Кроме того, исследователь мог самостоятельно проектировать и создавать прибор специального назначения. 17 апреля 2012 года NASA выбрало два обновления для HAWC, чтобы увеличить поле зрения с помощью новых массивов детекторов болометров с сенсорами переходного края и добавить возможность измерения поляризации излучения пыли от небесных источников. Открытая полость, в которой размещался телескоп, подвергалась воздействию высокоскоростных турбулентных ветров. Кроме того, вибрации и движения самолета создавали трудности при наблюдениях. Телескоп был спроектирован как очень легкий, с сотовой структурой, вырезанной на задней стороне зеркала, и использованием полимерных композитных материалов для сборки телескопа. В конструкцию входит система подшипников, погруженных в масло под давлением, для изоляции прибора от вибраций. Слежение осуществлялось с помощью системы гироскопов, высокоскоростных камер и магнитных двигателей для компенсации движения, включая вибрации от воздушного потока и двигателей самолета.

SOFIA uses a reflector telescope, which has an oversized, diameter primary mirror, as was common with most large infrared telescopes. The optical system uses a Cassegrain reflector design with a parabolic primary mirror and a remotely configurable hyperbolic secondary. In order to fit the telescope into the fuselage, the primary was shaped to an f number as low as 1.3, while the resulting optical layout has an f number of 19.7. A flat, tertiary, dichroic mirror was used to deflect the infrared part of the beam to the Nasmyth focus where it can be analyzed. An optical mirror located behind the tertiary mirror was used for a camera guidance system. The telescope looked out of a large door in the port side of the fuselage near the airplane's tail, and initially carried nine instruments for infrared astronomy at wavelengths from 1–655 micrometres (μm) and high speed optical astronomy at wavelengths from 0.3 to 1.1 μm. The main instruments were FLITECAM, a near infrared camera covering 1–5 μm; FORCAST, covering the mid infrared range of 5–40 μm; and HAWC, which spans the far infrared in the range 42–210 μm. The other four instruments include an optical photometer and infrared spectrometers with various spectral ranges. During its time in service, SOFIA's telescope was by far the largest placed in an aircraft. For each mission one interchangeable science instrument was attached to the telescope. Two groups of general purpose instruments were available. In addition, an investigator can also design and build a special purpose instrument. On April 17, 2012, two upgrades to HAWC were selected by NASA to increase the field of view with new transition edge sensor bolometer detector arrays and to add the capability of measuring the polarization of dust emission from celestial sources. The open cavity housing the telescope was exposed to high speed turbulent winds. In addition, the vibrations and motions of the aircraft introduce observing difficulties. The telescope was designed to be very lightweight, with a honeycomb shape milled into the back of the mirror and polymer composite material used for the telescope assembly. The mount includes a system of bearings in pressurized oil to isolate the instrument from vibration. Tracking was achieved through a system of gyroscopes, high speed cameras, and magnetic torque motors to compensate for motion, including vibrations from airflow and the aircraft engines.

Научные исследования и наблюдения

Основными научными целями SOFIA были изучение состава атмосфер и поверхностей планет, исследование структуры, эволюции и состава комет, определение физики и химии межзвездной среды, а также изучение формирования звёзд и других звёздных объектов. Операциями SOFIA руководил Исследовательский центр полетов НАСА имени Армстронга в Палмдейле, штат Калифорния, в то время как Научный центр SOFIA, отвечавший за планирование миссий программы, располагался в Исследовательском центре NASA Ames в Маунтин-Вью, штат Калифорния. В начале 2016 года SOFIA впервые за 40 лет обнаружила атомарный кислород в атмосфере Марса. В начале 2017 года наблюдения 1 Цереры в среднем инфракрасном диапазоне позволили установить, что поверхность крупного астероида/карликовой планеты покрыта слоем астероидной пыли, происходящей от других тел. В июле 2017 года SOFIA зафиксировала оккультацию звезды далёким объектом пояса Койпера 486958 Arrokoth, в то время как наземные обсерватории не смогли провести это наблюдение, что помогло подготовить зонд New Horizons к визиту к этому астероиду. SOFIA также использовалась в рамках астробиологических миссий, в частности, для наблюдения новых планетных систем и обнаружения сложных молекул. В октябре 2020 года астрономы сообщили об обнаружении молекулярной воды на освещённой солнцем поверхности Луны с помощью нескольких независимых космических аппаратов, включая Стратосферную обсерваторию инфракрасной астрономии (SOFIA).

Программа посыльных по воздушной астрономии (AAA)

SOFIA была разработана изначально для поддержки масштабной общественной образовательной и просветительской работы, которая в течение запланированного 20-летнего срока службы миссии может напрямую вовлечь более тысячи педагогов различных типов – учителей начальной и средней школы, преподавателей научных музеев и планетариев, а также специалистов по работе с общественностью – в качестве партнеров ученых и охватить сотни тысяч людей по всей стране через этих педагогов. "SOFIA Six" стали первой группой педагогов, отобранных в США для участия в пилотной программе SOFIA AAA, и совершили полет летом 2011 года. В Германии существует отдельный процесс подачи заявок, но также два учителя были отправлены в полет тем же летом. Команды педагогов и их запасные участники были отобраны в результате высококонкурентного отбора. NASA и DLR (Германское космическое агентство) отобрали педагогов из самых разных слоев общества, представляющих такие учреждения, как школа для глухих, учреждение альтернативного образования (для детей с особенностями развития), учебные заведения с низким уровнем финансирования и охватом, сельские школы и школа для коренных американцев. С момента завершения пилотного цикла программа AAA совершила более 20 полетов и сейчас находится на 5-м этапе. Актриса Нишель Николс, известная по сериалу "Звездный путь", совершила полет на борту SOFIA 17 сентября 2015 года.