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成層圏赤外線天文台( SOFIA ) は、 NASAとドイツ航空宇宙センター(DLR) [ 1 ]による 80/20 の共同プロジェクトで、航空機搭載の天文台を建設および維持することを目的としていました。NASA は、航空機の開発、天文台の運用、およびプロジェクトのアメリカ側の管理に関する契約を1996 年に大学宇宙研究協会(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部分を管理しました。SOFIA の望遠鏡は2010 年 5 月 26 日に初光を迎えました。SOFIA はカイパー航空機搭載天文台の後継機でした。10 時間にわたる夜間飛行中に、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。
科学観測飛行は、2022年9月29日早朝に行われた921回目にして最後の飛行の着陸をもって終了した。望遠鏡を搭載していたボーイング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、これはワイドボディ機の工場短縮版で、後部胴体に飛行中に開けることができる大きなドアが追加され、直径2.5m （8.2フィート）の反射望遠鏡が空にアクセスできるように改造されていた。[ 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、地球の大気中のほぼすべての水蒸気よりも高い高度まで上昇することができ、水蒸気は一部の赤外線波長が地上に到達するのを妨げていた。航空機の巡航高度では、赤外線の全範囲の85%が利用可能だった。また、この航空機は地球表面のほぼすべての地点の上空を飛行することができ、北半球と南半球の両方から観測することができた。
観測飛行は週に3～4晩行われた。SOFIA天文台はカリフォルニア州パームデール地域空港にあるNASA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にあるエイムズ研究センターに拠点を置いていた。
SOFIAは、ほとんどの大型赤外線望遠鏡と同様に、直径2.7m （8.9フィート）の特大主鏡を備えた2.5m （8.2フィート）反射望遠鏡を使用しました。 [ 3 ]光学系は、放物面主鏡と遠隔操作で構成可能な双曲面副鏡を備えたカセグレン反射設計を採用しました。望遠鏡を機体に収めるために、主鏡はf値が1.3まで低く成形され、結果として得られる光学系のf値は19.7です。平坦な三次ダイクロイックミラーを使用して、ビームの赤外線部分をナスミス焦点に偏向させ、そこで分析します。三次ミラーの後ろに配置された光学ミラーは、カメラ誘導システムに使用されました。[ 4 ]
望遠鏡は、飛行機の尾部近くの胴体の左舷側にある大きなドアから外を向いており、当初は波長 1～655 マイクロメートル (μm) の赤外線天文学と波長 0.3～1.1 μm の高速光学天文学用の 9 つの機器を搭載していました。主な機器は、1～5 μm をカバーする近赤外線カメラ FLITECAM、5～40 μm の中赤外線範囲をカバーする FORCAST、および 42～210 μm の遠赤外線範囲をカバーする HAWC でした。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ました。 [ 5 ]運用期間中、SOFIA の望遠鏡は航空機に搭載されたものとしては群を抜いて最大のものでした。各ミッションで、1 つの交換可能な科学機器が望遠鏡に取り付けられました。汎用機器の 2 つのグループが利用可能でした。さらに、研究者は特殊用途の機器を設計および構築することもできました。 2012年4月17日、NASAはHAWCの2つのアップグレードを選択し、新しい遷移端センサーボロメータ検出器アレイで視野を拡大し、天体からの塵の放出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型の空洞は、高速の乱流にさらされていた。さらに、航空機の振動や動きによって観測が困難になった。望遠鏡は非常に軽量になるように設計されており、鏡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た。架台には、機器を振動から隔離するために加圧油内のベアリングシステムが組み込まれていた。追尾は、気流や航空機エンジンの振動を含む動きを補償するために、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実現された。[ 7 ]熱による形状変化を防ぐため、望遠鏡が高度で受ける外部温度に一致するように、航空機の離陸前に望遠鏡室は冷却された。着陸前に、冷却された光学系や機器に結露が発生するのを防ぐために、区画は窒素ガスで満たされた。[ 4 ]
DLRは望遠鏡全体の組み立てと設計、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産業界に下請けに出されました。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で軽量化改良を施して鋳造され、研磨と研削はフランスのSAGEM -REOSC社によって行われました。二次鏡の炭化ケイ素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）によって製造されました。反射面コーティングは、当初はルイジアナ州の委託施設で、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するまで、主鏡に年に1～2回再塗布されました。[ 8 ]
SOFIAの航空機は、改造されたボーイング747SPでした。[ 9 ]ボーイングは、超長距離飛行のために747のSP、つまり「スペシャルパフォーマンス」バージョンを開発し、747-100の設計を変更して胴体の一部を取り外し、他の部分を大幅に変更して重量を軽減し、747SPが当時の他のどの747モデルよりも高く、速く、遠くまで無着陸で飛行できるようにしました。[ 14 ]
ボーイングは、後にSOFIAとなる機体にシリアル番号21441を割り当てました。これは製造された306番目の747でした。この航空機の初飛行は1977年4月25日で、ボーイングは1977年5月6日にパンアメリカン航空に機体を納入しました。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この航空機を商業旅客サービスに投入しました。[ 11 ]パンアメリカン航空はこの航空機を飛行家のチャールズ・リンドバーグにちなんで命名しました。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の歴史的な飛行を開始してから50周年にあたる1977年5月20日に、この航空機をクリッパー・リンドバーグと命名しました。 [ 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、機体にはN145UAという新しい登録番号が付与された。また、機体にはリンドバーグの名前のない新しい塗装が施された。この飛行機は1995年12月まで運用され、その後ユナイテッド航空によってラスベガス近郊に保管された。[ 15 ]
1997年4月30日、大学宇宙研究協会（USRA）は、航空観測所として使用するためにユナイテッド航空からこの航空機を購入した。1997年10月27日、NASAはUSRAからこの航空機を購入した。[ 15 ] NASAはその年、 E-Systems（後にRaytheon Intelligence and Information Systems、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「基本」飛行試験を実施した。改造の成功を確実にするため、Raytheonは、1998年初頭に解体される予定だった別の747SP（登録番号N141UA）からセクションを購入し、実物大のモックアップとして使用した。[ 16 ]
1998年に作業を開始したレイセオンは、飛行中に望遠鏡が空にアクセスできるように、機体の後部左側に高さ5.5m （弧長） ×幅4.1m （13.5フィート）のドアを設計・設置した。望遠鏡は加圧隔壁の後ろの機体後端に取り付けられた。望遠鏡の焦点は機体の加圧された中央部にある科学機器スイートに位置しており、望遠鏡の一部が加圧隔壁を通過する必要があった。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、前方セクションには教育と広報エリアがあった。開放された機体は、飛行機の空力特性と飛行特性に大きな影響を与えなかった。[ 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、この航空機はグラスコックピットのフライトデッキアップグレードと新しいアビオニクスシステムおよびソフトウェアアップデートを受けました。レイアウトは747-400のグラスコックピット設計に基づいていましたが、SOFIAミッションに特有の多数のカスタマイズ要素が残されました。その中には、記録された写真が示すように、747-400のデフォルトの位置から移動された、主要な燃料、エンジン、油圧制御を備えたカスタムのメイン電気オーバーヘッド回路ブレーカーパネル、744の従来のEFIS/EICASディスプレイに代わるセンターMFD、SOFIA望遠鏡の制限と飛行プロファイル制限に特化したカスタム表示灯などがありました。[ 19 ]
2022年4月28日、同プロジェクトは2022年9月30日をもって同機を退役させると発表した。921回目にして最後のミッションは、カリフォルニア沖の北太平洋上空で、パームデールから離陸し、7時間57分後の午前4時41分（太平洋夏時間、協定世界時11時41分）にパームデールに着陸した。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]
この航空機の最後の飛行は2022年12月13日に行われ、パームデールを出発し、アリゾナ州ツーソン近郊のピマ航空宇宙博物館に寄贈するためにデイビス・モンサン空軍基地に着陸し、そこで展示された。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
航空機を用いた赤外線観測の最初の事例は、1965年にジェラード・P・カイパーがNASAのガリレオ航空天文台を用いて金星を研究した時である。3年後、フランク・J・ロウはエイムズ・リアジェット天文台を用いて木星と星雲を観測した。[ 26 ] 1969年には、航空機に910mm （36インチ）望遠鏡を搭載する計画が始まった。目標は、水蒸気による赤外線吸収で光学的深さがはるかに低い成層圏から天文学を行うことであった。カイパー航空天文台と名付けられたこのプロジェクトは、 1975年5月21日に開所した。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大きく貢献した。[ 27 ]
より大型の航空機搭載望遠鏡の提案は1984年に正式に発表され、ボーイング747に3メートル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。ドイツが総コストの20%を負担し、望遠鏡を提供することで合意された。しかし、ドイツの再統一とNASAの予算削減により、プロジェクトは5年間停滞した。その後、NASAは作業を大学宇宙研究協会（USRA）に委託し、1996年にNASAとドイツ航空宇宙センター（DLR）はSOFIAの建設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、ショットAG社製のガラスセラミック複合材であるゼロデュールで作られており、熱膨張率はほぼゼロである。フランスのSAGEMグループの光学部門であるREOSCは、背面からハニカム状のポケットを削り出すことで軽量化を図った。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 ]双曲線状の副鏡は炭化ケイ素で作られており、研磨は2000年5月までに完了した。[ 4 ] 2002年、望遠鏡の主要コンポーネントはドイツのアウグスブルクで組み立てられた。これらは主鏡アセンブリ、主光学サポート、およびサスペンションアセンブリで構成されていた。システムのチェックのために統合テストが成功裏に行われた後、コンポーネントはエアバス・ベルーガ機でテキサス州ウェーコに輸送された。彼らは2002年9月4日に到着した。[ 30 ] SOFIAは2004年8月18～19日に北極星の画像を撮影し、地上での最初の「オンスカイ」テストを完了した。[ 31 ]
望遠鏡のドアの開発を担当していた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2001年にさらに遅延した。 ユナイテッド航空も破産保護を申請し、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年に機体に設置され、地上から最初の観測が行われた。[ 7 ]
2006年2月、費用が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「見直し中」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結論付け、SOFIAは見直しを通過した。[ 33 ] [ 34 ]
SOFIAの初飛行は、2007年4月26日に テキサス州ウェーコのL-3インテグレーテッドシステムズ（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、整備後のチェックを行うための短いテストプログラムの後、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された。荷重と飛行テストの最初のフェーズでは、外部望遠鏡キャビティドアを閉じた状態で機体の特性をチェックした。このフェーズは、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航空機は望遠鏡のドアを完全に開いた状態での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日に最初の光を捉え、 M82の核と木星の形成による熱が雲を通して放出されている様子を示す画像を返した。[ 37 ]初期の「定常」科学観測飛行は2010年12月に開始され[ 13 ]、観測所は年間約100回の飛行で2014年までに完全な機能を発揮する予定だった。[ 7 ] [ 36 ]
2011年以降、SOFIAミッションは複数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年でした。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で共有されました。[ 38 ]
2020年代の天体物理学10年調査では、NASAが2023年までにSOFIAの運用を終了することを推奨した。「調査委員会は、SOFIAの高コストと控えめな科学的生産性を考慮すると、SOFIAについて重大な懸念を抱いている」と報告書は述べている。[ 39 ]
SOFIAの主な科学目標は、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、そして星やその他の恒星天体の形成を探査することであった。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、このプログラムのミッション計画を管理するSOFIAサイエンスセンターがあった。[ 7 ] 2015年6月29日、準惑星冥王星が遠方の恒星と地球の間を通過し、ニュージーランド付近の地球に影を落としたため、SOFIAは冥王星の大気を研究することができた。[ 40 ]
2016年初頭、SOFIAは火星の大気中に原子状酸素を40年ぶりに検出した。[ 41 ] 2017年初頭、SOFIAによる中間赤外線での1ケレスの観測は、この巨大な小惑星/準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の解明に役立った。 [ 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 恒星食を観測したが、地上観測所はこの観測に失敗し、この小惑星を訪れる探査機ニューホライズンズの準備が進められた。
ソフィアは宇宙生物学ミッションにも使用されており、他の目標の中でも特に新しい惑星系の観測や複雑な分子の検出に重点を置いている。[ 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、月の太陽光が当たる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装置を用いて、小惑星上の水の検出が初めて行われた。この発見は2024年2月に発表された論文で説明されている。[ 48 ]
SOFIAは、当初から強力な一般教育およびアウトリーチ活動を支援するように設計されており、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、広報担当者など、あらゆる種類の1000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数十万人にリーチすることができます。[ 49 ]
「SOFIA Six」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最初に選ばれた教育者グループであり、2011年の夏に飛行しました。ドイツ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 ]教育者チームと補欠は、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（ドイツ航空宇宙センター）は、さまざまな背景を持つ教育者を選び、彼らの所属機関には、ろう学校、代替教育施設（発達障害）、非常に恵まれない生徒集団、農村部の学校、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」AAAプログラムでは、20以上のチームが飛行しました。[ 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SOFIAに搭乗した。 [ 52 ]
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)製造元シリアル番号:21441 行番号:306
ボーイングは、胴体を短縮し、当時のどの747モデルよりも高く、速く、遠くまで無着陸で飛行するように設計された747-100SP（スペシャルパフォーマンス）も製造した。
1986年2月13日 N536PA ユナイテッド航空が購入
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