Eines der bemerkenswertesten Observatorien der Welt arbeitet nicht auf einem Berggipfel, nicht im Weltraum, sondern 45.000 Fuß hoch auf einer Boeing 747. Nick Howes hat sich dieses einzigartige Verkehrsflugzeug bei seiner ersten Landung in Europa angesehen.
SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) entstand aus einer Idee, die erstmals Mitte der 1980er Jahre diskutiert wurde. Stellen Sie sich vor, so die Wissenschaftler, wie Sie mit einer Boeing 747 ein großes Teleskop in die Stratosphäre transportieren, wo die Absorption von Infrarotlicht durch atmosphärische Wassermoleküle selbst im Vergleich zu den höchsten bodengebundenen Observatorien dramatisch reduziert ist. 1996 war diese Idee der Realität einen Schritt näher gekommen, als das SOFIA-Projekt zwischen der NASA (die 80 Prozent der Kosten der 330-Millionen-Dollar-Mission finanziert, was mit einer einzigen bescheidenen Weltraummission vergleichbar ist) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt formell vereinbart wurde. (DLR, das die anderen 20 Prozent finanziert). Forschung und Entwicklung begannen ernsthaft mit einer stark modifizierten Boeing 747SP, die nach dem berühmten amerikanischen Piloten 'Clipper Lindburgh' genannt wurde und wobei 'SP' für 'Special Performance' steht.
Erstmalige Testflüge wurden 2007 geflogen, wobei SOFIA vom Dryden Flight Research Center der NASA auf der Edwards Airforce Base im Rogers Dry Lake in Kalifornien aus operierte – ein schöner, trockener Ort, der bei der Instrumentierung und dem Betrieb des Flugzeugs hilft.
Dieses maßstabsgetreue Modell zeigt die Teleskopposition und wie das Flugzeugdesign um sie herum funktioniert. Bildnachweis: Nick Howes.
Als das Flugzeug dem Astronauten-Trainingszentrum der Europäischen Weltraumorganisation in Köln einen Besuch abstattete, hatte ich die seltene Gelegenheit, dieses großartige Flugzeug im Rahmen eines European Space „Tweetup“ (einem Twitter-Meeting) anzuschauen. Was sofort auffiel, war die kürzere Länge des Flugzeugs im Vergleich zu denen, mit denen Sie normalerweise fliegen, was es dem Flugzeug ermöglicht, länger in der Luft zu bleiben, ein entscheidender Aspekt für seinen wichtigsten Passagier, das 2,7-Meter-SOFIA-Teleskop. Sein Hauptspiegel in der Größe des Hubble-Weltraumteleskops ist aluminiumbeschichtet und lenkt das Licht auf einen 0,4-Meter-Sekundärspiegel, alles in einem offenen Käfigrahmen, der buchstäblich aus der Seite des Flugzeugs herausragt.
Wie wir gesehen haben, liegt der Grund für die Platzierung eines Mehrtonnen-Teleskops in einem Flugzeug darin, dass es dadurch möglich ist, den meisten Absorptionseffekten unserer Atmosphäre zu entgehen. Beobachtungen im Infraroten sind für bodengebundene Instrumente auf oder nahe dem Meeresspiegel weitgehend unmöglich und sogar auf hohen Berggipfeln nur teilweise möglich. Wasserdampf in unserer Troposphäre (der unteren Schicht der Atmosphäre) absorbiert so viel Infrarotlicht, dass dies traditionell der einzige Weg war, dies zu überwinden, indem ein Raumfahrzeug hochgeschickt wurde. SOFIA kann eine Nische füllen, indem es fast den gleichen Job macht, aber mit weitaus geringerem Risiko und mit einer viel längeren Lebensdauer. Das Flugzeug verfügt über ausgeklügelte Infrarot-Überwachungskameras, um seine eigene Leistung zu überprüfen, und eine Wasserdampfüberwachung, um die geringe Absorption zu messen.
Das Sofia-Teleskop befindet sich hinter dem Multi-Tonnen-Rahmen und dem Kontrollmechanismus. Bildnachweis: Nick Howes.
Der 2,7-Meter-Spiegel (obwohl in der Praxis tatsächlich nur 2,5 Meter verwendet werden) verwendet einen Glaskeramik-Verbundstoff, der sehr temperaturbeständig ist, was angesichts der rauen Bedingungen, denen das Flugzeug das isolierte Teleskop aussetzt, von entscheidender Bedeutung ist. Wenn man sich vorstellt, welche Schwierigkeiten Amateurastronomen in manchen Nächten mit der Teleskopstabilität bei stürmischen Bedingungen haben, denken Sie an SOFIA, dessen riesiges f/19,9 Cassegrain-Spiegelteleskop mit einer offenen Tür zum
800 Kilometer pro Stunde (500 Meilen pro Stunde) Winde. Normalerweise werden einige Operationen bei 39.000 Fuß (ca. 11.880 Metern) statt der möglichen Obergrenze von 45.000 Fuß (13.700 Metern) stattfinden, da die höhere Höhe zwar etwas bessere Bedingungen in Bezug auf Mangel an Absorption (immer noch über 99 Prozent des Wasserdampfs, der die meisten Probleme verursacht), reduziert der zusätzliche Kraftstoffbedarf die Beobachtungszeiten erheblich, sodass die 39.000
Fußhöhe in einigen Fällen betriebsmäßig besser, um mehr Daten zu sammeln. Das Flugzeug verwendet ein ausgeklügeltes Lufteinlasssystem, um den Luftstrom und die Turbulenzen vom offenen Teleskopfenster wegzuleiten und zu kanalisieren .
Cool bleiben
Die Kameras und die Elektronik aller Infrarot-Observatorien müssen bei sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden, um zu vermeiden, dass thermisches Rauschen von ihnen in das Bild übergeht, aber SOFIA hat ein Ass im Ärmel. Im Gegensatz zu einer Weltraummission (mit Ausnahme der Wartungsmissionen zum Hubble-Weltraumteleskop, die jeweils 1,5 Milliarden US-Dollar kosteten, einschließlich des Preises für den Start eines Space Shuttles), hat SOFIA den Vorteil, dass es in der Lage ist, Instrumente zu ersetzen oder zu reparieren oder sein Kühlmittel aufzufüllen eine geschätzte Lebensdauer von mindestens 20 Jahren, viel länger als jede weltraumgestützte Infrarot-Mission, der nach einigen Jahren das Kühlmittel ausgeht.
Inzwischen sind das Teleskop und seine Wiege eine Meisterleistung der Ingenieurskunst. Das Teleskop ist ziemlich im Azimut fixiert, mit nur einem Spiel von drei Grad, um das Flugzeug auszugleichen, aber es muss sich nicht in diese Richtung bewegen, da das Flugzeug, das von einigen der besten der NASA gesteuert wird, diese Aufgabe dafür erfüllt. Es kann während des wissenschaftlichen Betriebs zwischen einem Höhenbereich von 20 bis 60 Grad arbeiten. Es wurde alles auf Toleranzen entwickelt, die die Kinnlade herunterfallen lassen. Die Lagerkugel wird beispielsweise auf eine Genauigkeit von weniger als zehn Mikrometer poliert und die Laserkreisel liefern Winkelschritte von 0,0008 Bogensekunden. Durch eine Reihe von unter Druck stehenden Gummipuffern, die höhenkompensiert sind, vom Hauptflugzeug isoliert, ist das Teleskop fast vollständig frei von der Hauptmasse der 747, die die Computer und Racks beherbergt, die nicht nur das Teleskop betreiben, sondern auch die Basisstation für alle beobachtenden Wissenschaftler, die mit dem Flugzeug fliegen.
PI in the Sky
Die wissenschaftlichen Ermittler sitzen relativ bequem in der Nähe des Teleskops. Bildnachweis: Nick Howes.
Die Hauptuntersuchungsstation befindet sich in der Mitte des Flugzeugs, einige Meter vom Teleskop entfernt, aber innerhalb des Flugzeugs eingeschlossen (in einer Höhe von 45.000 Fuß der Luft ausgesetzt, würden die Besatzung und die Wissenschaftler sonst sofort getötet). Hier können Wissenschaftler für zehn oder mehr Stunden am Stück Daten sammeln, sobald sich die Tür öffnet und das Teleskop auf das gewünschte Ziel ausgerichtet ist, wobei die Piloten einer präzisen Flugbahn folgen, um sowohl die Instrumentenausrichtungsgenauigkeit zu erhalten als auch am besten zu vermeiden die Möglichkeit von Turbulenzen. Während bodengebundene Teleskope schnell auf Ereignisse wie eine neue Supernova reagieren können, ist SOFIA in seinen wissenschaftlichen Operationen stärker reglementiert und mit Vorschlagszyklen von sechs Monaten bis zu einem Jahr muss man ziemlich genau planen, wie man ein Objekt am besten beobachtet.
Die Zukunft vorhersagen
Der wissenschaftliche Betrieb begann 2010 mit FORCAST (Faint Object Infrared Camera for Sofia Telescope) und wurde 2011 mit dem Instrument GREAT (German Receiver for Astronomy at Teraherz Frequencies) fortgesetzt. FORCAST ist ein Mittel-/Fern-Infrarot-Instrument, das mit zwei Kameras zwischen fünf und vierzig Mikrometer (zusammen können sie zwischen 10 und 25 Mikrometer arbeiten) mit einem Sichtfeld von 3,2 Bogenminuten arbeitet. Es sah erstes Licht auf Jupiter und der Galaxie Messier 82, wird aber an der Abbildung des galaktischen Zentrums, der Sternentstehung in Spiralgalaxien und aktiven Galaxien sowie an der Untersuchung von Molekülwolken arbeiten mehr Details zur Morphologie von Sternentstehungsregionen bis hin zu einer Auflösung von weniger als drei Bogensekunden (abhängig von der Wellenlänge, bei der das Instrument arbeitet). Daneben ist FORCAST auch in der Lage, Grism-Spektroskopie (d. h. ein Gitterprisma) durchzuführen, um detailliertere Informationen über die Zusammensetzung der betrachteten Objekte zu erhalten. Es gibt kein adaptives Optiksystem, aber es braucht keines für die Arten von Operationen, die es durchführt.
FORCAST und GREAT sind nur zwei der „grundlegenden“ wissenschaftlichen Betriebsinstrumente, zu denen auch Echelle-Spektrographen, Ferninfrarot-Spektrometer und hochauflösende Breitbandkameras gehören, aber das Wissenschaftsteam arbeitet bereits an neuen Instrumenten für die nächste Betriebsphase. Die Instrumentenumschaltung ist zwar komplex, aber relativ schnell (vergleichbar mit der Zeit, die für den Instrumentenwechsel auf größeren Bodenobservatorien benötigt wird) und kann in der Bereitschaft für Beobachtungen erreicht werden, die das Flugzeug bis zu 160 Mal pro Jahr durchführen soll. Und während es keine festen Pläne gab, ein Schwesterschiff für SOFIA zu bauen, gab es Diskussionen unter Wissenschaftlern, ein größeres Teleskop auf einem Airbus A380 zu installieren.
Ein Modell des Teleskops zeigt seinen einzigartigen Steuer- und Bewegungsmechanismus sowie die optische Tubus-Baugruppe. Bildnachweis: Nick Howes.
Himmelsreichweite
Mit einem geplanten Wissenschaftsbotschafterprogramm, bei dem Lehrkräfte zu Forschungszwecken im Flugzeug fliegen, wird SOFIA in der Öffentlichkeit bekannter. Der wissenschaftliche Output und die Möglichkeiten von Instrumenten, die sich ständig weiterentwickeln, warten und bei jeder Landung verbesserungsfähig sind, sind im Vergleich zu Weltraummissionen unermesslich. Journalisten hatten erst vor kurzem die Gelegenheit, dieses bemerkenswerte Flugzeug zu besichtigen, und es war ein Privileg und eine Ehre, es als einer der ersten Menschen aus der Nähe zu sehen. Zu diesem Zweck möchte ich der ESA und der NASA für die Einladung und die Chance danken, etwas so Einzigartiges zu sehen.