Een van de meest opmerkelijke observatoria ter wereld doet zijn werk niet op een bergtop, niet in de ruimte, maar 45.000 voet hoog op een Boeing 747. Nick Howes nam een kijkje rond dit unieke vliegtuig toen het zijn eerste landing in Europa maakte.
SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) kwam voort uit een idee dat halverwege de jaren tachtig voor het eerst werd genoemd. Stel je voor, zeiden wetenschappers, die een Boeing 747 gebruikten om een grote telescoop de stratosfeer in te dragen, waar de absorptie van infrarood licht door atmosferische watermoleculen dramatisch wordt verminderd, zelfs in vergelijking met de hoogste observatoria op de grond. Tegen 1996 was dat idee een stap dichter bij de realiteit gekomen toen het SOFIA-project formeel werd overeengekomen tussen NASA (die 80 procent van de kosten van de missie van 330 miljoen dollar financiert, een bedrag dat vergelijkbaar is met een enkele bescheiden ruimtemissie) en het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR, die de andere 20 procent financiert). Onderzoek en ontwikkeling begonnen serieus met behulp van een sterk gemodificeerde Boeing 747SP, de ‘Clipper Lindburgh’ genaamd naar de beroemde Amerikaanse piloot, en waar de ‘SP’ staat voor ‘Special Performance’.
In 2007 werden de eerste testvluchten uitgevoerd, waarbij SOFIA opereerde vanuit het Dryden Flight Research Center van NASA op de luchtmachtbasis Edwards in het Rogers Dry Lake in Californië - een mooie, droge locatie die helpt bij de instrumentatie en het operationeel vliegtuig.
Toen het vliegtuig een bezoek bracht aan het astronautenopleidingscentrum van de European Space Agency in Keulen, Duitsland, kreeg ik een zeldzame kans om rond te kijken in dit prachtige vliegtuig als onderdeel van een European Space ‘Tweetup’ (een Twitter-bijeenkomst). Wat meteen opviel, was de kortere lengte van het vliegtuig dan degene waar je normaal op vliegt, waardoor het vliegtuig langer in de lucht kan blijven, een cruciaal aspect voor zijn belangrijkste passagier, de 2,7 meter lange SOFIA-telescoop. De primaire spiegel van de Hubble-ruimtetelescoop is aluminium gecoat en weerkaatst licht naar een secundaire van 0,4 meter, alles in een open kooikader dat letterlijk uit de zijkant van het vliegtuig steekt.
Zoals we hebben gezien, is de reden voor het plaatsen van een multi-ton telescoop in een vliegtuig dat het mogelijk is om te ontsnappen aan de meeste absorptie-effecten van onze atmosfeer. Waarnemingen in infrarood zijn grotendeels onmogelijk voor instrumenten op de grond op of nabij zeeniveau en slechts gedeeltelijk mogelijk zelfs op hoge bergtoppen. Waterdamp in onze troposfeer (de onderste laag van de atmosfeer) absorbeert zoveel van het infraroodlicht dat traditioneel de enige manier om dit te verslaan was om een ruimtevaartuig op te sturen. SOFIA kan een niche vullen door bijna hetzelfde werk te doen, maar met veel minder risico en met een veel langere levensduur. Het vliegtuig heeft geavanceerde infraroodbewakingscamera's om zijn eigen output te controleren en waterdampbewaking om te meten welke geringe absorptie er optreedt.
De 2,7 meter lange spiegel (hoewel in de praktijk eigenlijk slechts 2,5 meter echt wordt gebruikt) maakt gebruik van een glaskeramiek composiet dat zeer thermisch tolerant is, wat essentieel is gezien de zware omstandigheden waaronder het vliegtuig de geïsoleerde telescoop doorlaat. Als je je de moeilijkheid voorstelt die amateurastronomen een aantal nachten hebben met telescoopstabiliteit in stormachtige omstandigheden, denk dan eens aan SOFIA, wiens enorme f / 19.9 Cassegrain-reflecterende telescoop te maken heeft met een open deur naar de
800 kilometer per uur (500 mijl per uur) winden. Meestal zullen sommige operaties plaatsvinden op 39.000 voet (ongeveer 11.880 meter) in plaats van het mogelijke plafond van 45.000 voet (13.700 meter), omdat terwijl de hogere hoogte iets betere omstandigheden biedt in termen van gebrek aan absorptie (nog steeds meer dan 99 procent van de waterdamp die de meeste problemen veroorzaakt), de extra brandstof die nodig is, betekent dat de observatietijden aanzienlijk worden verkort, waardoor de 39.000
de hoogte van de voeten is in sommige gevallen operationeel beter om meer gegevens te verzamelen. Het vliegtuig gebruikt een slim ontworpen luchtinlaatsysteem om de luchtstroom en turbulentie weg te leiden en weg te leiden van het open telescoopvenster, en in gesprek met de piloten en wetenschappers waren ze het er allemaal over eens dat er geen effect was veroorzaakt door de output van de vliegtuigmotoren .
Koel blijven
De camera's en elektronica op alle infrarood-observatoria moeten op zeer lage temperaturen worden gehouden om te voorkomen dat er thermische ruis in het beeld terechtkomt, maar SOFIA heeft een troef achter de hand. In tegenstelling tot een ruimtemissie (met uitzondering van de servicemissies naar de Hubble-ruimtetelescoop die elk $ 1,5 miljard kosten, inclusief de prijs voor het lanceren van een spaceshuttle), heeft SOFIA het voordeel dat het instrumenten kan vervangen of repareren of het koelmiddel kan aanvullen, waardoor een geschatte levensduur van ten minste 20 jaar, veel langer dan elke ruimtegebaseerde infraroodmissie die na een paar jaar geen koelvloeistof meer heeft.
Ondertussen zijn de telescoop en zijn houder een technisch hoogstandje. De telescoop is vrijwel gefixeerd in azimut, met slechts een speling van drie graden om het vliegtuig te compenseren, maar hij hoeft niet in die richting te bewegen, aangezien het vliegtuig, bestuurd door enkele van de beste van NASA, die taak ervoor uitvoert. Het kan werken tussen 20 en 60 graden hoogte tijdens wetenschappelijke operaties. Het is allemaal ontworpen met toleranties waardoor de kaak valt. De lagerbol is bijvoorbeeld gepolijst met een nauwkeurigheid van minder dan tien micron, en de lasergyroscopen bieden hoekverhogingen van 0,0008 boogseconden. De telescoop is geïsoleerd van het hoofdvliegtuig door een reeks onder druk staande rubberen bumpers, die gecompenseerd worden voor de hoogte, en is bijna volledig vrij van het grootste deel van de 747, waar zich de computers en racks bevinden die niet alleen de telescoop bedienen, maar ook het basisstation vormen voor waarnemingswetenschappers die met het vliegtuig vliegen.
PI in the Sky
Het Principle Investigator-station bevindt zich rond het midden van het vliegtuig, enkele meters van de telescoop, maar is ingesloten in het vliegtuig (blootgesteld aan de lucht op 45.000 voet, de bemanning en wetenschappers zouden anders onmiddellijk worden gedood). Hier kunnen wetenschappers gedurende tien of meer uur achtereen gegevens verzamelen zodra de deur opengaat en de telescoop naar het doel van de keuze wijst, waarbij de piloten een nauwkeurig vliegpad volgen om zowel de nauwkeurigheid van het richten van het instrument te behouden als ook om het beste te vermijden de mogelijkheid van turbulentie. Terwijl telescopen op de grond snel kunnen reageren op gebeurtenissen zoals een nieuwe supernova, wordt SOFIA meer gereguleerd in haar wetenschappelijke activiteiten en met voorstelcycli van meer dan zes maanden tot een jaar moet men vrij nauwkeurig plannen hoe een object het beste kan worden geobserveerd.
De toekomst voorspellen
Wetenschappelijke operaties begonnen in 2010 met FORCAST (Faint Object Infrared Camera for Sofia Telescope) en gingen door tot 2011 met het GREAT-instrument (German Receiver for Astronomy at Teraherz Frequencies). FORCAST is een mid / ver infrarood instrument dat werkt met twee camera's tussen vijf en veertig micron (samen kunnen ze werken tussen 10-25 micron) met een gezichtsveld van 3,2 boogminuten. Het zag het eerste licht op Jupiter en het sterrenstelsel Messier 82, maar zal werken aan het in beeld brengen van het galactische centrum, stervorming in spiraalvormige en actieve sterrenstelsels en ook kijken naar moleculaire wolken, een van de belangrijkste wetenschappelijke doelen waarmee wetenschappers stoftemperaturen en meer details over de morfologie van stervormingsgebieden tot een resolutie van minder dan drie boogseconden (afhankelijk van de golflengte waarmee het instrument werkt). Daarnaast is FORCAST ook in staat om grisma (d.w.z. een roosterprisma) spectroscopie uit te voeren om meer gedetailleerde informatie te krijgen over de samenstelling van objecten die worden bekeken. Er is geen adaptief optisch systeem, maar het heeft er geen nodig voor het soort bewerkingen dat het doet.
FORCAST en GREAT zijn slechts twee van de 'basis'-instrumenten voor wetenschappelijke bediening, waaronder ook Echelle-spectrografen, ver-infraroodspectrometers en breedbandcamera's met hoge resolutie, maar het wetenschapsteam werkt al aan nieuwe instrumenten voor de volgende fase van operaties. Het wisselen van instrumentatie, hoewel complex, is relatief snel (vergelijkbaar met de tijd die nodig is om van instrument te wisselen op grotere observatoria op de grond), en kan worden bereikt in gereedheid voor waarnemingen, die het vliegtuig tot 160 keer per jaar wil uitvoeren. En hoewel er geen definitieve plannen waren om een zusterschip voor SOFIA te bouwen, zijn er discussies onder wetenschappers geweest om een grotere telescoop op een Airbus A380 te plaatsen.
Sky Outreach
Met een gepland wetenschappelijk ambassadeursprogramma waarbij docenten in het vliegtuig vliegen om onderzoek te doen, zal het publieke profiel van SOFIA groeien. De wetenschappelijke output en mogelijkheden van instrumenten die constant evolueren, bruikbaar en verbeterbaar zijn telkens wanneer het landt, zijn onmetelijk in vergelijking met ruimtemissies. Journalisten hadden pas onlangs de gelegenheid gekregen om dit opmerkelijke vliegtuig te bezoeken, en het was een voorrecht en een eer om als een van de eersten het van dichtbij te zien. Daartoe wil ik ESA en NASA bedanken voor de uitnodiging en de kans om zoiets unieks te zien.
