成層圏赤外線天文学観測所

成層圏赤外線天文学観測所 (SOFIA)

飛行中に望遠鏡のドアが開いた状態のソフィア。
別名	ソフィア
組織	NASA  / DLR  / USRA  / DSI
位置	パームデール空港（年間の大半）;クライストチャーチ国際空港（6月～7月頃の約2か月間）
座標	南緯43°29′22″ 東経172°31′56″ / 南緯43.48944° 東経172.53222° / -43.48944; 172.53222
高度	地上：702 m（2,303 フィート）；空中：13.7 km（45,000 フィート）
設立	2010
閉鎖	2022年9月29日
Webサイト	ソフィア科学センター NASA ソフィア DLRソフィア DS-I
望遠鏡
ソフィア 2.5メートル（98インチ）のベントカセグレン、チョッピング副鏡、フラットフォールディング三次鏡、ナスミス焦点
成層圏赤外線天文学観測所（SOFIA）の位置
コモンズの関連メディア
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成層圏赤外線天文台（SOFIA ）は、空中天文台の建設と維持を目的としたNASAとドイツ航空宇宙センター（DLR）^[1]の80/20共同プロジェクトでした。NASAは1996年に航空機の開発、天文台の運用、プロジェクトのアメリカ側の管理の契約を大学宇宙研究協会（USRA）に授与しました。DSI（ドイツSOFIA研究所、ドイツ語：Deutsches SOFIA Institut）は、主に科学と望遠鏡に関連するプロジェクトのドイツ側の管理を担当しました。SOFIAの望遠鏡は、 2010年5月26日に初観測されました。SOFIAはカイパー空中天文台の後継機です。10時間の夜間飛行中に、天体の磁場、星形成領域、彗星、星雲、銀河中心を観測しました。

2022年9月29日早朝、921回目で最後の飛行が着陸し、科学飛行は終了した。望遠鏡を搭載するために使用されたボーイング747SPは保存され、アリゾナ州ツーソン近郊のピマ航空宇宙博物館に展示されている。

SOFIAはボーイング747SPをベースにしており、工場で短縮されたワイドボディ機で、飛行中に開けられる大きなドアが機体後部に設けられ、直径2.5メートル（8.2フィート）の反射望遠鏡を上空に向けられるよう改造されていた。^[2]この望遠鏡は高度約12キロメートル（41,000フィート）の成層圏での赤外線天文学観測用に設計された。SOFIAの飛行能力により、地球の大気中の水蒸気のほぼ全てを上回ることが可能となり、一部の赤外線波長が地表に到達するのを妨げていた。機体の巡航高度では、全赤外線範囲の85%が利用可能であった。機体は地球表面のほぼあらゆる地点の上空を飛行することもでき、北半球と南半球からの観測が可能であった。

観測飛行は週に3～4晩行われた。SOFIA観測所はカリフォルニア州パームデール地域空港にあるNASAのアームストロング飛行研究センターに拠点を置き、SOFIA科学センターはカリフォルニア州マウンテンビューのエイムズ研究センターに拠点を置いていた。

SOFIA は 2.5 m (8.2 フィート) の反射望遠鏡を使用しています。この望遠鏡は、ほとんどの大型赤外線望遠鏡で一般的であったように、特大の 2.7 m (8.9 フィート) の直径を持つ主鏡を備えています。^{[3]光学系は、}放物面主鏡と遠隔構成可能な双曲面副鏡を備えたカセグレン反射鏡設計を使用しています。望遠鏡を機体に収めるために、主鏡はf 値が1.3 まで低くなっており、結果として得られた光学レイアウトは f 値が 19.7 になっています。ビームの赤外線部分をナスミス焦点に偏向させて分析するために、平坦な三次二色性ミラーが使用されました。三次ミラーの後ろにある光学ミラーは、カメラ誘導システムに使用されました。^[4]

望遠鏡は機体尾部近くの左舷側にある大きな扉から外を覗き、当初は波長1～655マイクロメートル（μm）の赤外線天文学用と波長0.3～1.1μmの高速光学天文学用の9つの機器を搭載していた。主な機器は、 1 ～ 5μmをカバーする近赤外線カメラのFLITECAM、5～40μmの中赤外線範囲をカバーするFORCAST、および42～210μmの範囲の遠赤外線をカバーするHAWCである。他の4つの機器には、さまざまなスペクトル範囲の光学光度計と赤外線分光計が含まれている。 ^[5]運用中、SOFIAの望遠鏡は航空機に搭載された望遠鏡の中では群を抜いて大きかった。ミッションごとに、交換可能な科学機器が1つ望遠鏡に取り付けられた。汎用機器の2つのグループが利用可能だった。 2012年4月17日、NASAはHAWCの2つのアップグレードを選択し、新しい遷移エッジセンサーボロメータ検出器アレイで視野を拡大し、天体からの塵の放射の偏光を測定する機能を追加しました。^[6]

望遠鏡を収容する開放空洞は、高速の乱気流にさらされていた。さらに、航空機の振動と動きにより、観測が困難になっていた。望遠鏡は非常に軽量に設計されており、ミラーの背面にはハニカム形状が削り出され、望遠鏡の組み立てにはポリマー複合材料が使用されていた。マウントには、機器を振動から隔離するための加圧オイルベアリングシステムが含まれている。追跡は、気流や航空機エンジンからの振動を含む動きを補正するために、ジャイロスコープ、高速カメラ、磁気トルクモーターのシステムによって達成された。^[7]望遠鏡キャビンは、航空機の離陸前に冷却され、望遠鏡が高度で受ける外気温と一​​致するようにし、熱による形状変化を防止した。着陸前には、冷却された光学系と機器に水分が凝縮するのを防ぐため、コンパートメントに窒素ガスが充満された。^[4]

DLRは望遠鏡の組み立てと設計全体、および望遠鏡で使用される9つの科学機器のうち2つを担当し、NASAは航空機を担当しました。望遠鏡の製造はヨーロッパの業界に下請けされました。望遠鏡はドイツ製で、主鏡はドイツのマインツにあるSchott AGで軽量化のために鋳造され、フランスの会社SAGEM -REOSCが研磨と磨きを行いました。二次的なシリコンカーバイドベースのミラー機構は、スイス電子マイクロテクノロジーセンター（CSEM）で製造されました。主鏡の反射面コーティングは、最初はルイジアナ州の契約施設で年に1〜2回再塗布され、その後コンソーシアムがモフェットフィールドに独自のコーティング施設を設立しました。^[8]

ソフィア
飛行中のソフィア
一般情報
その他の名前	成層圏赤外線天文台、クリッパー・リンドバーグ
タイプ	ボーイング747SP -21
メーカー	NASA/DLR
オーナー	米航空宇宙局（NASA）
建築番号	シリアル番号21441 ライン番号306 [9]
登録	N747NA [10]
歴史
初飛行	2007年4月26日[11]
使用中	2010年～2022年9月30日[12] [13]
保存場所	ピマ航空宇宙博物館、アリゾナ州ツーソン
運命	展示中

ソフィア機はボーイング747SPを改造したものであった。^[9]ボーイングは超長距離飛行用に747のSP版、つまり「スペシャル・パフォーマンス」版を開発した。747-100の設計を改良し、胴体の一部を取り除き、他の部分を大幅に改造して重量を軽減したため、747SPは当時の他の747モデルよりも高く、速く、遠くまでノンストップで飛行することができた。^[14]

ボーイング社は、後にSOFIAとなる機体にシリアル番号21441を割り当てた。これは、製造された306機目の747であった。この航空機の初飛行は1977年4月25日であり、ボーイング社は1977年5月6日にパンアメリカン航空にこの航空機を納入した。この航空機は最初の機体登録番号N536PAを取得し、パンアメリカン航空は同機を商業旅客便に就航させた。^{[11]パンアメリカン航空は、飛行家}チャールズ・リンドバーグに敬意を表してこの航空機に名前を付けた。パンアメリカン航空の招待により、リンドバーグの未亡人アンは、1927年に夫がニューヨークからパリへ歴史的な飛行を開始してから50周年となる1977年5月20日に、この航空機にクリッパー・リンドバーグと命名した。^[11]

ユナイテッド航空は1986年2月13日にパンアメリカン航空からこの飛行機を購入し、この飛行機は新しい航空機登録番号N145UAを取得した。この飛行機はリンドバーグの名前のない新しい塗装も施された。この飛行機は1995年12月まで運航され、その後ユナイテッド航空はラスベガス近郊に保管した。^[15]

1997年4月30日、大学宇宙研究協会（USRA）は、空中観測所として使用するためにユナイテッドからこの航空機を購入しました。1997年10月27日、NASAはUSRAからこの航空機を購入しました。^{[15] NASAはその年、} E-Systems（後にレイセオン情報情報システム、その後テキサス州ウェーコのL-3 Communications Integrated Systems ）による航空機の大幅な改造に先立ち、一連の「ベースライン」飛行テストを実施しました。改造を成功させるため、レイセオンは1998年初頭に解体される予定だった別の747SP（登録番号N141UA）の一部をフルサイズのモックアップとして使用するために購入しました。^[16]

レイセオンは1998年に作業を開始し、機体の後方左側に高さ5.5メートル（弧長18フィート）、幅4.1メートル（13.5フィート）のドアを設計し設置した。このドアは飛行中に開けることができ、望遠鏡を上空に向けることができる。望遠鏡は加圧隔壁の後ろの機体後端に取り付けられた。望遠鏡の焦点は加圧された機体中央部の科学機器スイートにあり、望遠鏡の一部を圧力隔壁を通り抜ける必要があった。機体の中央にはミッションコントロールと科学運用セクションがあり、前部には教育と広報エリアがある。開いた胴体は、飛行機の空力と飛行特性に大きな影響を与えない。^[17]

NASAの招待により、リンドバーグの孫であるエリック・リンドバーグは、チャールズ・リンドバーグの大西洋横断飛行完了80周年にあたる2007年5月21日に、この航空機をクリッパー・リンドバーグと改名した。 ^[18]

2012年12月、この航空機は新しい航空電子機器システムとソフトウェアのアップデートとともに、グラスコックピットのフライトデッキのアップグレードを受けた。 ^[19]

2022年4月28日、同プロジェクトは2022年9月30日付けで同機を退役させると発表した。921回目で最後のミッションはカリフォルニア州沖の北太平洋上空で、パームデールから離陸し、7時間57分後のPDT午前4時41分（UTC午前11時41分）に着陸した。^{[20] [21] [22]}

この機体の最終飛行は2022年12月13日に行われ、機体はパームデールを出発してデイビスモンサン空軍基地に着陸し、アリゾナ州ツーソン近郊にあるピマ航空宇宙博物館に寄贈され、展示されている。^{[23] [24] [25]}

航空機による赤外線観測は、1965年にジェラルド・P・カイパーがNASAのガリレオ空中天文台を使用して金星を研究したのが最初である。3年後、フランク・J・ローがエイムズ・リアジェット天文台を使用して木星と星雲を観測した。^[26] 1969年に、910 mm（36インチ）の望遠鏡を航空機搭載プラットフォームに搭載する計画が開始された。目標は、水蒸気吸収赤外線による光学的厚さがはるかに低い成層圏から天文学を行うことだった。カイパー空中天文台と名付けられたこのプロジェクトは、1975年5月21日に開設された。この望遠鏡は、天王星の環系の発見など、数多くの科学的研究に役立った。^[27]

1984年に正式に発表された大型航空機搭載望遠鏡の提案では、ボーイング747に3メートルの望遠鏡を搭載することが求められた。予備的なシステムコンセプトは1987年にレッドブックに掲載された。ドイツが総費用の20%を負担し、望遠鏡を提供することで合意された。しかし、ドイツ統一とNASAの予算削減により、プロジェクトは5年間延期された。その後、NASAは大学宇宙研究協会（USRA）に作業を委託し、1996年にNASAとドイツ航空宇宙センター（DLR）はSOFIAの構築と運用に関する覚書に署名した。^[28]

SOFIA望遠鏡の主鏡は直径2.5メートルで、熱膨張がほぼゼロのSchott AG社製のガラスセラミック複合材Zerodurで製造された。フランスのSAGEMグループの光学部門REOSCは、背面にハニカム状のポケットをフライス加工することで重量を軽減した。彼らは1999年12月14日に鏡の研磨を終え、光学面全体で8.5ナノメートル（nm）の精度を達成した。 ^[29]双曲線形の副鏡はシリコンカーバイドで作られ、2000年5月までに研磨が完了した。 ^[4] 2002年中に、望遠鏡の主要コンポーネントがドイツのアウクスブルクで組み立てられた。これらは、主鏡アセンブリ、主な光学サポート、およびサスペンションアセンブリで構成されていた。システムを確認するための統合テストが成功した後、コンポーネントはエアバスベルーガ航空機に搭載されてテキサス州ウェーコに出荷された。彼らは2002年9月4日に到着した。^{[30] SOFIAは2004年8月18日〜19日に}北極星の画像を撮影し、地上での最初の「上空」テストを完了した。^[31]

2001年、望遠鏡ドアの開発を任されていた3つの下請け業者が相次いで倒産したため、プロジェクトはさらに遅れた。 ユナイテッド航空も破産保護に入り、航空機の運航者としてプロジェクトから撤退した。望遠鏡はドイツから米国に輸送され、2004年に機体に取り付けられ、地上から最初の観測が行われた。^[7]

2006年2月、コストが1億8500万ドルから3億3000万ドルに増加した後、^[32] NASAはプロジェクトを「検討中」とし、予算からプロジェクトを削除して資金提供を停止しました。2006年6月15日、NASAはSOFIAの継続的な開発に克服できない技術的またはプログラム上の課題はないと判断し、SOFIAは検討に合格しました。^{[33] [34]}

SOFIAの初飛行は2007年4月26日、テキサス州ウェーコのL-3統合システムズ（L-3 IS）施設で行われた。^[35]ウェーコで飛行範囲を部分的に拡大し、整備後の点検を行うための短い試験プログラムが行われた後、機体は2007年5月31日にエドワーズ空軍基地のNASAアームストロング飛行研究センターに移動された。荷重および飛行試験の第1段階は、外部望遠鏡空洞ドアを閉じた状態で機体の特性を確認するために使用された。この段階は2008年1月までにNASAアームストロング飛行研究センターで無事完了した。^[36]

2009年12月18日、SOFIA機は望遠鏡の扉が完全に開いた最初の試験飛行を行った。この段階は79分間の飛行のうち2分間続いた。SOFIAの望遠鏡は2010年5月26日に最初の光を迎え、 M82の核と木星の形成からの熱が雲の覆いを通して逃げていることを示す画像が返された。^[37]最初の「定期的な」科学観測飛行は2010年12月に始まり^[13]、観測所は年間約100回の飛行で2014年までに完全に機能する予定だった。^{[7] [36]}

2011年以降、SOFIAミッションはいくつかの提案の中から選ばれました。成功したミッションは年間サイクルに従ってスケジュールされ、最初のサイクルは2013年に相当しました。各サイクルでは、航空機と機器はいくつかの異なるミッション間で共有されました。^[38]

2020年代の天体物理学10年計画調査では、NASAが2023年までにSOFIAの運用を終了することを勧告した。「調査委員会は、その高額な費用と科学的生産性の低さから、SOFIAについて大きな懸念を抱いている」と報告書は述べている。^[39]

• 
  KAOおよび SOFIA、エイムズ研究センター2008 年。
• 
  F /A-18ミッションサポート航空機が機能チェック飛行中の SOFIA を追跡します。
• 
  SOFIA 望遠鏡に搭載された HAWC+ 装置。
• 
  SOFIA 主鏡アセンブリ (PMA)

SOFIAの主な科学的目的は、惑星の 大気と表面の組成を研究すること、彗星の構造、進化、組成を調査すること、星間物質の物理と化学を決定すること、そして恒星やその他の恒星の形成を探ることであった。SOFIAの航空機の運用はカリフォルニア州パームデールのNASAアームストロング飛行研究センターによって管理されていたが、カリフォルニア州マウンテンビューのNASAエイムズ研究センターには、プログラムのミッション計画を管理するSOFIA科学センターがあった。^[7] 2015年6月29日、準惑星冥王星が遠くの恒星と地球の間を通過し、ニュージーランド付近で地球に影を作り、SOFIAが冥王星の大気を研究することができた。^[40]

2016年初頭、SOFIAは40年ぶりに火星の大気中に原子状酸素を検出した。 ^[41] 2017年初頭、中間赤外線による1ケレスの観測により、この大型小惑星/矮小惑星が他の天体からの小惑星塵の層で覆われていることがわかった。 ^[42] 2017年7月、SOFIAは遠方のカイパーベルト天体486958アロコスの星食を観測したが、地上の観測所ではこの観測に失敗し、探査機ニューホライズンズがこの小惑星を訪問する準備をしていた。

ソフィアは宇宙生物学ミッションにも使用されており、新しい惑星系の観測や複雑な分子の検出などの目的に重点を置いています。^[43]

2020年10月、天文学者たちは、成層圏赤外線天文台（SOFIA）を含む複数の独立した宇宙船によって、太陽光が当たる月の表面に分子状の水が検出されたと報告した。 ^{[44] [45] [46] [47]}

2022年1月から5月にかけて、SOFIAに搭載されたFORCAST装置を使用して、初めて小惑星上の水の検出が行われました。この発見は2024年2月に発表された論文に記載されています。^[48]

SOFIAは当初から、計画されている20年間のミッション期間中に、K-12の教師、科学博物館やプラネタリウムの教育者、公共アウトリーチの専門家など、あらゆるタイプの1,000人以上の教育者を科学者のパートナーとして直接関与させ、これらの教育者を通じて全国の何十万人もの人々に影響を与えることができる強力な公共教育とアウトリーチ活動をサポートするように設計されました。^[49]

「SOFIA 6人」は、SOFIAのAAA「パイロット」プログラムに参加するために米国で選ばれた最初の教育者グループであり、2011年の夏に飛行しました。ドイツでは別の申請プロセスがありましたが、その夏に2人の教師も飛行しました。^[50]教育者チームと代替者は、非常に競争の激しい申請プロセスで選ばれました。NASAとDLR（ドイツ宇宙機関）は、さまざまな背景を持つ教育者を選択しました。彼らの教育機関には、聴覚障害者のための学校、代替教育施設（発達障害）、十分なサービスを受けていない学生層、田舎の学校、ネイティブアメリカンの学校が含まれていました。「パイロット」サイクル以来、AAAプログラムは20チーム以上を飛行させ、現在はサイクル5段階にあります。^{[49] [51]}

スタートレックの女優ニシェル・ニコルズは2015年9月17日にソフィアに搭乗した。 ^[52]

• 最大の赤外線望遠鏡のリスト
• カイパー航空天文台
• 赤外線天文学
  • 遠赤外線天文学

ウィキメディア・コモンズには、成層圏赤外線天文台に関連するメディアがあります。

• ソフィア科学センター、USRA & DSI
• NASAのSOFIAミッション
• NASA太陽系探査局による SOFIA ミッション プロファイル
• DLRのSOFIAウェブサイトは2023年4月2日にWayback Machineにアーカイブされました
• NASA 天文写真集: ソフィアの窓際の席 (2006 年 2 月 25 日)
• シカゴ大学天文学・天体物理学部、成層圏赤外線天文学観測所（SOFIA）
• SOFIA: 赤外線天文学のための成層圏観測所、NASAによるムーンフェスト 2009

• SOFIA 写真コレクション、ドライデン飛行研究センター
• SOFIA 映画コレクション、ドライデン飛行研究センター