索菲亚平流层红外天文台的十大发现

十年前，NASA安装在飞机上的索菲亚平流层红外天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy），即“索菲亚” （SOFIA）望远镜，第一次极目远眺，仔细地观察宇宙。从2010年5月26日那夜开始，“索菲亚”对人眼不可见的红外线的观测已使人们发现了很多隐藏在浩瀚宇宙中的科学奥秘。

“索菲亚”的首航就让人们观测到了木星内部喷出的热量。它的视线穿过云层的缝隙，刺破梅西叶82号星系（Messier 82 galaxy）浓密的尘云，捕捉到了数以万计的星星诞生时的样子。索菲亚平流层红外天文台于2014年宣布全面投入运行，这相当于太空望远镜被发射升空。但比起只有发射升空后才能进行观测的太空望远镜，“索菲亚”在调试设备和望远镜的阶段就已经有了发现。

改造过的波音747SP（见注释）搭载着直径约为2.74米的“索菲亚”望远镜飞到最高13700米的高空。这个高度使它凌驾于地球上99%的水蒸气，因此“索菲亚”能观测到地面望远镜无法观测到的清晰的红外线宇宙图景。它的机动性也使其能够到达诸如外海等偏远地区，以捕捉天文学意义上昙花一现的事件。因为“索菲亚”每次任务结束后都会降落，所以它可以被升级改造，并配备最先进的技术以应对学界一些最为紧迫的问题。

通过“索菲亚”科学家们获得了一系列发现：他们在太空里探测到了宇宙的第一种分子，揭示了恒星、行星诞生与消亡的新细节，解释了是什么驱动着超大质量黑洞的活动（supermassive black hole），以及星系是如何演化成形的等等。以下是过去十年间 “索菲亚”的部分重要发现：

“索菲亚”终于发现了宇宙里的第一种分子

“索菲亚”发现的第一种在宇宙中形成的分子叫氢化氦（helium hydride）。它作为宇宙进化的第一步，最早在宇宙大爆炸后，距今十万年前形成。它是形成我们现今所知的复杂宇宙的基石。与它同类的分子应该存在于当今宇宙的某处，但直到被“索菲亚”在NGC 7027（见注释）行星状星云中（planetary nebula）发现，这类分子从未在实验室以外的地方被探测到。在当今宇宙中找到它们，证实了我们对早期宇宙的一些关键性的基本看法。

猎户星云（Orion Nebula）中的新生恒星阻止自己的同胞诞生

位于猎户星云中的新生的恒星，因其刮出的星风（stellar wind）能在周围制造出一个泡状空地，所以它阻止了附近更多新恒星的形成。天文学家们将这种效应称为“反馈”（feedback），它是我们理解现在所能看到的和未来可能形成的这些恒星诞生过程的关键。在发现“反馈”效应前，科学家们曾认为其他诸如恒星爆炸（即超新星，supernovas）等过程对调节恒星的形成起主要作用。

给星系风“称重”为了解星系的进化提供线索

“索菲亚”发现从雪茄星系（Cigar Galaxy，即M82）中央刮来的星系风与一磁场的方向在一条直线上，且该星系风运送了大量物质。磁场通常与星系的平面平行，但因为星系风的不断拉扯，该磁场实际上与星系的平面垂直。星系快速孕育新恒星所产生的能量驱动着这股强有力的星系风，这可能是物质逃离星系的机制之一。假如类似的过程也在早期宇宙中发生过，那么它甚至会从根本上影响宇宙中第一个星系的进化。

挨着我们的行星系（planetary system）和我们自己的很像

围绕着天苑四（Epsilon Eridani，简称eps Eri）的行星系是距离一个和早期太阳类似的行星最近的行星系。“索菲亚”研究了温热的宇宙尘埃中发出的红外天光（infrared glow），并确定该星系的结构和我们太阳系惊人地相似。其物质分布在不止一个位于和木星大小相近的行星边的窄带中。

磁场可能在给活跃的黑洞供能

天鹅射电源A星系（Cygnus A galaxy）的磁场在为星系中央的黑洞输送物质。“索菲亚”揭示了这股不可见的磁场的力量，并在下图中将其显示为流线型图形。这股力量捕获距离星系中心非常近的物质，这个距离近到物质足以被饥饿的黑洞所吞噬。但是，其他星系的磁场可能会阻止黑洞吞噬物质。

磁场可能抑制了银河系的黑洞的活动

这幅图展示了位于我们银河系中央的黑洞周围环绕的物质。“索菲亚”探测到了磁场，并将其显示为下图所见的流线型图形。该磁场可能并不将气体直接送入黑洞中，而是将其送至黑洞周围的一个轨道上。与活跃地吞噬物质的其他星系的黑洞相比，这也许就是为什么我们星系的黑洞相对比较安静。

星云中“厨房油烟”般的分子为找到构建生命的要素提供了线索

“索菲亚”在NGC 7032星云中找到的有机复杂分子受到附近恒星的辐射的影响，演变成了更大、更复杂的分子。研究人员惊讶地发现辐射并没有摧毁这些分子，而是帮助它们成长。在适当的条件下，这些分子的成长可能完成了使其进化为生命的众多步骤中的一步。

星尘可以撑过超新星消亡的过程

“索菲亚”发现超新星爆炸可以制造出足以形成一个地球那么多的巨量物质。红外观测显示，一万年前一个超新星爆炸产生的云所包含的尘埃可以组成七千个地球。科学家们现在了解到，第一个向外的冲击波制造的物质可以撑过之后向内的“反弹”波并继续存在。这个“反弹”波是由第一个向外的冲击波与周围的星际气体和尘埃撞击产生的。

银河系中央的新图片揭示了大质量行星（massive star）的形成

“索菲亚”拍到了一张非常清晰的我们银河系中央的红外图像。这张全景图展示了银河系中央超过600光年范围内的景象。它用高分辨率的图像为我们揭露了密度很大的气体和尘埃涡流内的细节。这为我们打开了通往未来，研究大质量行星形成机制和银河系中央黑洞吞噬物来源问题的大门。

系外行星碰撞后会发生什么

距地球三百多光年的被称为BD +20307的双星系统（double-star system）似乎发生了一次异常巨大的，两个岩石质的系外行星间的碰撞。十年前，对这个系统的观测向我们提供了这次碰撞的第一个线索。那时，人们在发育完全的一颗年龄至少为十亿年的恒星周围找到了比预想中温度更高的碰撞产生的碎片。“索菲亚”的观测发现，碎片发出的红外亮度已经升高了10%。这意味着那里现在甚至有更多的热尘埃，且此撞击发生的时间相对于宏大的宇宙时间跨度而言就发生在不久之前。我们的月球可能就是在太阳系内类似事件中形成的。

“索菲亚”，即索菲亚平流层红外天文台，是一架直径为2.7米的，被安装在改造过的波音747SP大型喷气客机上的望远镜。它是NASA与德国航空航天局（German Aerospace Center，DLR）的一个联合项目。位于加利福尼亚硅谷的美国航天局艾姆斯研究中心（NASA’s Ames Research Center）负责管理“索菲亚”项目。该项目的科学和任务管理工作由上述两个机构，联合位于马里兰州哥伦比亚的大学宇航研究协会（Universities Space Research Association）总部以及位于斯图加特大学（University of Stuttgart）的德国索菲亚研究所（German SOFIA Institute，DSI）共同负责。搭载“索菲亚”的飞机由位于美国加州棕榈谷（Palmdale）的美国航天局阿姆斯特朗飞行研究中心（NASA’s Armstrong Flight Research Center）的703号机库进行维护并执飞。

BY: Kassandra Bell

FY: 忆染

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