【搞了个大新闻】飞机上的望远镜发现了月球高温区域的水

艺术图：索菲亚发现月球表面阳光照射区域的水。来源：NASA/Daniel Rutter, 参考文献^[1]

2020年10月27日（美东时间10月26日），两项关于月球上的水有关的最新研究成果论文发表于《自然·天文学》(Nature Astronomy)。

其中第一项为NASA戈达德飞行中心做博士后Casey I. Honniball领衔的一个天文合作小组得出，他们发现月球南半球的高纬度区域表层的土壤中含有水，而且含量挺高：每千克土壤中含水0.1到0.4克^[2]。

图：Honniball领衔的小组用得到的克拉维斯陨石坑区域反射光谱。图中红线与黑线表示各自分块区域内水含量最高的值与最低的值。来源：参考文献^[2]

Honniball小组的结果是根据一架位于飞机上的望远镜的观测数据得到的，这个望远镜的名称为Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，中文翻译为“平流层红外天文台”或“同温层红外天文台”。这个名称太长了。幸好它的英文缩写很好记：SOFIA（索菲亚），我们在后面简称其为“索菲亚”。

另一篇论文由科罗拉多大学的P. O. Hayne, O. Aharonson与N. Schörghofer完成^[3]，他们分析了月球探测轨道飞行器 (Lunar Reconnaissance Orbiter) 得到的数据，发现了月球上有大量冷陷坑，直径最大的大约1千米，最小的大约1厘米，总面积约为4万平方千米。这些冷陷坑有利于保存月球上的水冰，从而使得月球上的水含量超过此前的预计。

图：Hayne等人在月球探测轨道飞行器得到的高清晰度成像数据中发现的一些冷陷坑。来源：参考文献^[3]

关于研究结果自身的介绍，网上已有很全面的介绍 (见：行星事务所haibaraemily写的《自然·天文》：这一次，我们在月球的光照区发现了水分子)。我们这篇短文介绍为这次结果提供数据的望远镜——索菲亚望远镜。

索菲亚：飞行的红外天文台

在所有天文台中，索菲亚是一个少见的异类，它既不像大多数天文台那样位于地面上，也不像哈勃空间望远镜等空间望远镜那样在几百千米的太空中绕着地球转，它被安装在飞机上，一会在13.7千米的高空飞行，一会回到地面。它属于一个特殊的种类：机载天文台。

天文学家用飞机将天文台送上高空，绝不是瞎折腾。在地面上，大量的水蒸气会吸收天体照进地球大气的大部分红外线，从而成为红外线观测的杀手。即使在地球上一些空气非常干燥的高原沙漠区域，比如阿塔卡马 (Atacama) 区域，也只能观测到也只能观测到2-3微米左右。

而在十几千米的高空，水蒸气的含量仅是地面上的大约1%，在十几米高空中执行观测的望远镜，可以观测到地面上天体的红外线辐射。事实上，索菲亚在十几千米高空巡航时，可以观测到0.3微米到655微米（0.655毫米，处于亚毫米范围）之间的辐射。

尽管索菲亚是望远镜中的异类，但却不是历史上唯一的异类。早在1965年，著名天文学家柯伊伯 (Gerard Kuiper) 就首次在大型运输机机C-141上用口径为95厘米的反射望远镜观测了金星。这架飞机在1975年——柯伊伯逝世后2年——被命名为“柯伊伯机载天文台”，缩写为KAO。天文学家利用KAO观测了大量目标，得到了众多成果，比如，天文学家利用它在1977年首次发现天王星的环；再如，在超新星SN 1987A爆发后，天文学家用KAO观测到了这颗超新星合成的镍、钴与铁。

图：飞行中的柯伊伯机载天文台 (KAO) 。来源：NASA，转引自参考文献^[4]

坎坷的经历

1984年，NASA与德国太空中心 (DLR) 正式商定要建造更大的机载天文台，分别出资80%与20%。根据设计，这个机载天文台将达到大约20吨。为此，需要一架大型客机才可以将其带上空中。

NASA负责买飞机，它将这个任务外包为美国大学空间研究联合会 (USRA) 。1997年4月，USRA向美国联合航空公司（美联航）购买了一架二手波音747。同年10月，NASA向USRA购买了这架飞机。这架波音可以运载400名乘客，假设乘客体重平均为70千克，这个承载量就大约为30吨。因此可以满足索菲亚的要求。

德国太空中心负责组装望远镜，它与德国的Schott AG公司签订主镜面制造合同。地面光学望远镜中最负盛名的Keck I/II与甚大望远镜共6个主镜面都是由这个公司制造的。将来要被制造的极大望远镜 (ELT) 的镜子也将由这个公司制造。Schott AG公司制造出的主镜面的直径（口径）为2.5米，为了减轻重量，镜坯的底座是蜂巢状的，上面覆盖着碳化硅浇铸成的镜坯。

负责打磨镜坯的是法国的公司SAGEM-REOSC。打磨完成后的镜坯上覆盖着一层反射膜。你可以把镜坯想象为生日蛋糕，把反射膜想象为上面涂抹的奶油。不过，镜坯被打磨地比蛋糕表面光滑得多，达到了几亿分之一米的精度。与其他高品质望远镜镜片一样，索菲亚的镜子在外界温度变化时几乎不膨胀也不收缩。

图：索菲亚的主镜面。来源：NASA/Tom Tschida，转引自参考文献^[5]

2002年，被组装完成的望远镜被运到美国。2003年，索菲亚项目被美国政府取消，因为它的经费预算从原定的1.85亿美元一路涨到3.3亿美元。

在项目被取消期间，项目组一方面继续争取项目被重新恢复，一方面继续推进项目。2004年，这个望远镜在地面上进行了观测测试，以确定其性能。观测对象是北极星。2006年，经过德国方面与美国国内天文学家与多个国会议员的争取，项目终于被恢复。

到2010年，索菲亚的预算涨到了原来的3倍。项目预算的一路上涨，一个重要的原因是要克服的困难太多了。比如，为了能够让望远镜观测，必须在12千米高空打开天窗，而这会导致气流，引起震动。为了解决这个问题，必须要多种手段减震。

图：索菲亚上面的9个仪器之一：HAWC。来源：Arbor scientiae，转引自参考文献^[5]

在克服种种困难后，索菲亚于2009年12月开始首次飞行，速度为每小时400千米，持续时间为1小时19分。

2010年5月26日，索菲亚搭载10名人员，飞行6小时，速度达到了预期的每小时1000千米，接近音速。这次飞行，索菲亚观测了木星与星系M82。这是索菲亚开始正式服役的标志。

图：飞行中的索菲亚。接近飞机尾部的天窗处于被打开的状态，大小约为4.5米。来源：NASA /Jim Ross，转引自参考文献^[5]

索菲亚由NASA的阿姆斯特朗飞行研究中心负责，其科学中心则位于NASA的埃姆斯研究中心。一般情况下，索菲亚每周飞行3到4个晚上。

硕果累累

索菲亚的观测范围却覆盖了可见光、红外线与亚毫米。一些低温天体发出的光或者反射的光以红外线甚至亚毫米辐射为主。索菲亚因此可以用来研究这些天体的重要望远镜之一。

具体地说，索菲亚可以研究行星大气、形成恒星的星云与其他星云、彗星、小行星、银河系与其他星系中心黑洞附近区域的物质、宇宙中的气体与尘埃、超新星遗迹中的物质形成行星的过程、宇宙中的磁场相关的一些过程，等等。

图：光学望远镜观测到的马头星云的可见光图像（左）索菲亚观测到的马头星云的红外图像的伪色成像图（右）。比较两图，可以发现，不发出可见光的黑暗区域发出了明亮的红外线。右图中红色区域表示稠密的星云中的一氧化碳发出的红外线辐射，绿色区域表示碳原子与碳离子发出的红外线辐射，这些碳原子与粒子被周围的恒星所加热，发出红外线辐射。图来源：左: Dylan O’Donnell; 右: NASA/SOFIA/J. Bally et. al

图：斯必泽 (Spitzer) 红外空间望远镜拍摄的猎户座星云（大图）与索菲亚的FORCAST拍摄的猎户座星云核心位置的两片更小的区域的（小图）。索菲亚-猎户座大星云。来源：SOFIA 图像 - James De Buizer / NASA / DLR / USRA / DSI / FORCAST; 斯必泽图像- NASA/JPL)

通过分析观测数据，天文学家可以展开天体物理学与天体化学的研究，甚至可以进行天体生物学的研究。

在过去一些年，索菲亚获得众多重要结果。比如，2015年6月29日，冥王星挡住了一颗遥远的恒星发向地球的光，在新西兰附近形成阴影，索菲亚趁机观测了冥王星的大气。又如，2016年，索菲亚探测到火星大气中的原子状态的氧，这是40多年来的首次。

这次，天文学家从索菲亚对月球阳面土壤的观测数据中，确认出水成分。

参考文献：[1] Felicia Chou & Alison Hawkes, NASA’s SOFIA Discovers Water on Sunlit Surface of Moon (https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-sofia-discovers-water-on-sunlit-surface-of-moon/)[2] C. I. Honniball, P. G. Lucey, S. Li, S. Shenoy, T. M. Orlando, C. A. Hibbitts, D. M. Hurley & W. M. Farrell. Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA (https://www.nature.com/articles/s41550-020-01222-x)[3]P. O. Hayne, O. Aharonson & N. Schörghofer. Micro cold traps on the Moon (https://www.nature.com/articles/s41550-020-1198-9)[4] Wikipedia, Kuiper_Airborne_Observatory词条(https://en.m.wikipedia.org/wiki/Kuiper_Airborne_Observatory)[5] Wikipedia, Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy词条(https://en.m.wikipedia.org/wiki/Stratospheric_Observatory_for_Infrared_Astronomy)

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文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。

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