Стратосферная обсерватория «София

Стратосферная обсерватория «София» (SOFIA, от англ. Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) — совместный проект Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) и Германского аэрокосмического центра (DLR) по созданию мобильной астрономической обсерватории, размещённой на борту модифицированного самолёта Boeing 747SP. Основной задачей обсерватории являлось проведение наблюдений в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра, недоступном для наземных телескопов из-за поглощения атмосферой. Проект функционировал с 2010 по 2022 год.

История создания

Предпосылки

Идея размещения телескопа на борту самолёта возникла в 1960-х годах, когда астрономы столкнулись с ограничениями наземной инфракрасной астрономии. Водяной пар в атмосфере Земли эффективно поглощает инфракрасное излучение, особенно в диапазонах длин волн от 30 до 300 мкм. Подъём телескопа на высоту более 12 км позволяет вывести его за пределы 99 % водяного пара, что значительно улучшает качество наблюдений. Первым успешным проектом такого типа стала обсерватория KAO (Kuiper Airborne Observatory), действовавшая на базе самолёта C-141A с 1974 по 1995 год.

Разработка и строительство

В 1996 году NASA и DLR подписали соглашение о совместной разработке SOFIA. NASA отвечало за модификацию самолёта и интеграцию телескопа, а DLR — за создание самого телескопа и его оптической системы. В качестве платформы был выбран Boeing 747SP (регистрационный номер N747NA), ранее принадлежавший авиакомпании Pan American World Airways. Самолёт прошёл глубокую модернизацию: в его фюзеляже был вырезан проём размером 5,5 × 4,5 метра, закрытый подвижной дверью, которая открывалась на высоте полёта для доступа телескопа к небу.

Первоначально запуск планировался на 2001 год, но из-за технических сложностей и проблем с финансированием программа неоднократно откладывалась. Первый полёт с открытой дверью состоялся 26 ноября 2010 года. Полноценные научные наблюдения начались в 2013 году.

Завершение программы

В 2022 году NASA объявило о прекращении финансирования SOFIA из-за высокой стоимости эксплуатации и относительно низкой научной отдачи по сравнению с космическими телескопами, такими как «Спитцер» и «Джеймс Уэбб». Последний научный полёт состоялся 28 сентября 2022 года. После завершения программы самолёт был передан в Аризонский университет для использования в качестве учебного пособия.

Устройство и характеристики

Самолёт-носитель

Boeing 747SP (Special Performance) — укороченная версия Boeing 747, отличающаяся уменьшенной длиной фюзеляжа и увеличенной дальностью полёта. Для SOFIA самолёт был оснащён усиленным фюзеляжем, системой управления дверью телескопа и дополнительным оборудованием для стабилизации. Крейсерская высота полёта составляла 12–14 км, что позволяло проводить наблюдения выше 99 % водяного пара в атмосфере. Продолжительность одного полёта составляла до 10 часов.

Телескоп

Телескоп SOFIA представлял собой рефлектор системы Кассегрена с главным зеркалом диаметром 2,5 метра (эффективная площадь сбора света — 2,7 м²). Зеркало было изготовлено из стеклокерамики Zerodur, обладающей низким коэффициентом теплового расширения. Телескоп был установлен на гиростабилизированной платформе, которая компенсировала вибрации и движения самолёта, обеспечивая точность наведения до 0,5 угловых секунд.

Научные приборы

Обсерватория была оснащена сменным набором научных инструментов, которые устанавливались на телескоп в зависимости от задач наблюдения. Основные приборы включали:

• FORCAST (Faint Object Infrared Camera for the SOFIA Telescope) — камера и спектрограф среднего инфракрасного диапазона (5–40 мкм).
• GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) — гетеродинный спектрометр для субмиллиметрового диапазона (60–200 мкм).
• HAWC+ (High-resolution Airborne Wideband Camera) — камера и поляриметр для дальнего инфракрасного диапазона (50–240 мкм).
• FIFI-LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) — интегральный полевой спектрометр (42–210 мкм).

Научные достижения

Исследования межзвёздной среды

SOFIA внесла значительный вклад в изучение химического состава и динамики межзвёздного газа и пыли. С помощью прибора GREAT были обнаружены молекулы воды в холодных облаках, где формируются звёзды, а также изучены потоки газа вблизи чёрных дыр. В 2019 году обсерватория впервые обнаружила молекулярный кислород в туманности Ориона, что подтвердило теоретические модели химической эволюции галактик.

Планетная астрономия

Обсерватория проводила наблюдения атмосфер планет-гигантов Солнечной системы. В 2017 году SOFIA зафиксировала следы воды в атмосфере Юпитера, что позволило уточнить модели циркуляции и химического состава планеты. Также были проведены исследования атмосферы Титана, спутника Сатурна, и комет.

Изучение звёздообразования

SOFIA позволила наблюдать процессы звездообразования в плотных молекулярных облаках, которые непрозрачны для видимого света. В 2020 году с помощью прибора HAWC+ были получены карты магнитных полей в области звездообразования W51, что помогло понять роль магнитных полей в коллапсе газовых облаков.

Астрохимия

Приборы SOFIA регистрировали спектры органических молекул, таких как метанол, формальдегид и циановодород, в межзвёздной среде. Эти данные использовались для изучения химической эволюции вещества, из которого впоследствии формируются планеты.

Сравнение с другими обсерваториями

SOFIA занимала промежуточное положение между наземными и космическими телескопами. По сравнению с наземными обсерваториями, она обеспечивала доступ к инфракрасному диапазону, недоступному с поверхности Земли. Однако её чувствительность уступала космическим телескопам, таким как «Спитцер» (NASA) и «Гершель» (ЕКА), которые работали в вакууме при более низких температурах. Главным преимуществом SOFIA была возможность смены приборов и оперативного реагирования на новые научные задачи, а также способность проводить наблюдения в диапазонах, недоступных для космических телескопов из-за ограничений их оптики.

Критика и недостатки

Программа SOFIA подвергалась критике за высокую стоимость эксплуатации. По оценкам NASA, ежегодные затраты на поддержание обсерватории составляли около 85 миллионов долларов, что было сопоставимо с расходами на космические миссии. При этом научная продуктивность SOFIA была ниже, чем у космических телескопов: за 12 лет работы было опубликовано около 400 рецензируемых статей, тогда как телескоп «Спитцер» за аналогичный период — более 2000. Кроме того, ограниченная продолжительность полётов (до 10 часов) и зависимость от погодных условий снижали эффективность наблюдений.

Интересные факты

• Самолёт SOFIA был одним из немногих Boeing 747SP, сохранившихся в лётном состоянии к 2020-м годам.
• Во время полёта телескоп охлаждался до температуры около 200 °C, а его зеркало — до 10 К с помощью жидкого гелия.
• Для компенсации вибраций от двигателей самолёта телескоп был установлен на активной системе гашения, которая корректировала положение 100 раз в секунду.
• В 2018 году SOFIA участвовала в наблюдениях затмения Плутона, что позволило уточнить состав его атмосферы.

Источники

• NASA. «SOFIA Mission Overview». NASA.gov, 2022.
• DLR. «SOFIA: The Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy». DLR.de, 2021.
• Becklin, E. E., & Gehrz, R. D. «SOFIA: Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy». Advances in Space Research, 2009.
• «SOFIA Science Results». SOFIA Science Center, 2022.