美国航空航天局（NASA）和德国空间局（DLR）在平流层红外天文台（SOFIA）的研制上花了近15年的时间和十多亿美元，尽管这一项目曾遭受同行非议甚至被取消的磨难，但不久后，这架机载望远镜有望收获它的第一批成果。
今年4月，SOFIA试飞期间途经加州内华达山脉上空
在加利福尼亚州帕姆代尔镇的沙漠中有一个巨大的机库，里面曾经停泊着一支海盗船队――2007年，这个占地2万平方米的NASA设施曾被用做电影《加勒比海盗3：世界尽头》的摄影棚。
今天，摄制组早已离去；而机库的一角则停放着一架波音747飞机。就像许多好莱坞明星一样，这架大型喷气式客机也在老化：机身上新的油漆涂装无法掩盖它于1977年便已开始服役的事实。同时，很明显它还接受了“整形手术”：在机翼后方的机身上安装了一道伸缩门，包括机身内部也经历了多处改造。所有的这一切，都是为了安置在这道伸缩门之后的一架2.5米的望远镜――平流层红外天文台（SOFIA）。
今年5月17日，科学家们在机舱里紧张地忙碌着：有的在往望远镜的一台仪器中注入液氮，有的则试图修复一个失灵的冷却系统，他们的紧迫感是显而易见的。当所有这一切完成后，SOFIA会被推出机库，在地面上开始它的首次科学观测――打开舱门把望远镜对准北极星。当最后一次地面测试完成后，SOFIA随后将进行它的第一次科学飞行。
始建于1996年的SOFIA是NASA和DLR的合作项目，其目的是在富含星系、行星和新生恒星信息的红外波段上为天文学家提供一条更清晰地观测宇宙的新途径（NASA负责改装波音747，DLR则负责建造望远镜并支付20%的成本）。要完成这一使命，改装后的飞机必须能承载20吨重的望远镜飞到至少1.2万米高空，然后在平流层中以大约每小时1000千米的速度飞行，此时，其机身还开有一个3米宽的门洞。
由于对飞机的改造以及技术上面临的挑战，SOFIA离原竣工日期的2001年推迟了差不多10年，研发成本随之也上涨了3倍。据估计，总费用（包括20年的运行）现在达到了约37.5亿美元。如果以每一个观测小时的成本计算，SOFIA可以和NASA有史以来最昂贵的天文学计划哈勃空间望远镜比肩（见表1）。这一推迟同时也意味着，原计划在SOFIA之后发射的赫歇尔空间天文台捷足先登并有了科学产出。其结果是一提到SOFIA，许多天文学家就会翻眼、耸肩。
“我对此感到担心，”加州大学圣克鲁兹分校的天文学家、美国科学基金会天文学咨询委员会前主席加斯·伊林沃思（Garth Illingworth）说，“我们所开展的科学任务既应该有很高的回报，又应该有合理的成本。但在我看来，SOFIA哪一条标准都不符合。”
然而，帕姆代尔镇最近加快的一系列工作节奏被视为对SOFIA诸多批评的一个回应。“尽管我们承受着很大的压力，”SOFIA的项目科学家帕斯夸尔·泰密（Pasquale Temi）说，“但我们希望能证明SOFIA有采集数据的能力。”泰密的团队认为在首次科学飞行之后，SOFIA会逐步实现全面运转，并在2014年达到望远镜上的8台设备一年工作800个小时夜间观测的水平。
科学家在波音-747上测试SOFIA2.5米望远镜
追逐日食
撇开所有围绕SOFIA这个最新的（也可能是最后一个）飞行天文台的争论，机载天文学在历史上有着悠久的传统。早在1920年代，天文学家就开始使用双翼飞机来追逐日食。到了1968年，当NASA装备有30厘米望远镜的里尔喷气机开始飞行时，天文学家已经把目光放到了太阳以外的恒星、星系和行星上。次年，NASA批准了柯伊伯机载天文台（KAO）计划――一架0.9米的望远镜被安装在一架经过改装的C-141军用运输机上。
到了1974年，KAO可以在1.2万米以上的高空采集数据，并表现出了在平流层进行天文学研究的优势。由于低海拔大气中的水蒸气会吸收掉绝大部分波长大于1微米的红外辐射，机载望远镜收集红外光子的速度显然比地面望远镜快很多，进而增加了对暗弱天体的灵敏度。
KAO的机动性被证明是有益的。正如早期的机载天文学在空中追逐日食一样，KAO可以在最佳路径上观测掩星。在掩星的过程中，彗星、小行星或行星会从遥远恒星的前方经过遮挡它的光线，由此在地球上形成一道淡淡的影子（掩星可以用来测量穿越天体的大小、形状、甚至大气）。正是通过这一方法，KAO做出了其最著名的一些发现，即围绕天王星的光环和冥王星的大气层。SOFIA的科学家由此希望，这一新的机动天文台能够将此类研究拓展到海王星轨道以外数以千计鲜为人知的冰质柯伊伯带天体上。
到了90年代初，由于KAO在运行过程中其仪器设备更新、升级了多达50次，使得KAO与红外探测器效率的提高保持同步，天文学家由此希望SOFIA接替老化的KAO。虽然波音747的飞行高度比C-141低，但直径较KAO大近3倍的望远镜可以为天文学家提供大约8倍的集光能力，从而使他们能够研究更暗弱的天体。
曾参与SOFIA概念设计的得克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家丹·莱斯特（Dan Lester），在90年代初就向国会议员阐述了建造SOFIA的必要性。他说，天文学家不再需要前往冰冷的山顶实地进行天文学研究。SOFIA可以把政客、教师、记者以及其他感兴趣的人带上高空。“纳税人可以实实在在看到他们的钱用在了什么地方，”莱斯特说，“因为国会山的人习惯于这样做。”
SOFIA因此得到了批准，但条件是KAO必须在1995年退役，以便把它的运营资金转移到SOFIA的建造上。1996年，大学空间研究协会（USRA）从NASA获得了项目管理合同。这是一次私营化的尝试，当时认为这会比NASA直接管理更高效。莱斯特回忆道，得克萨斯大学对没有获得合同非常失望。但现在回想起来，“我们应该深深地吸一口气，然后说‘真幸运我们没有拿到这个合同’。”
动态问题
事实证明，在波音747一侧开一个3米宽舱门并在其尾部放置一架20吨重的望远镜的情况下平稳飞行，要远比改装KAO棘手得多。为此，工程师们花了多年时间设法加固机身和平衡舱门周围的气流，以避免空气在舱门口产生的流速而导致舱内共振致使望远镜摇晃。
到2003年，SOFIA的研发成本已上升到3.73亿美元，计划完成的时间也一再地推迟。直至2006年，对此已无法忍受的NASA官员萌生了取消SOFIA的念头。“我曾经认为，SOFIA不会飞上蓝天了。”时任NASA科学主管、现已退休的玛丽·克利夫（Mary Cleave）说。她认为，尽管USRA深谙天文，但却没有管理这样一个项目的背景，“这就是为什么它从根本上会陷入麻烦的原因。”
但当SOFIA在2006年2月总统预算案中被取消时，很快哗然声一片，其中大部分来自德国。当时的DLR局长西格马尔·维蒂希（Sigmar Wittig）会见了NASA时任局长迈克尔·格里芬（Michael Griffin），认为SOFIA一旦被取消会造成DLR数百万美元的损失，并由此造成部分议员失去选民的信任。为此，美国国会召集格里芬和克利夫参加了关于SOFIA未来的国会听证会。
赫歇尔空间天文台 斯皮策空间望远镜 詹姆斯·韦布空间望远镜
接受评估
当时克利夫意识到，取消这个国际合作项目几乎是不可能的。为此，她成立了一个评估小组，并建议将SOFIA项目从艾姆斯研究中心转到帕姆代尔镇附近的德莱顿飞行研究中心，后者一直是NASA航空专家的大本营。USRA和艾姆斯研究中心唯一剩下可管理的东西就是SOFIA的科学项目。
凭借其丰富的经验，德莱顿飞行中心成功地试飞了SOFIA――虽然在这个过程中伸缩门被一点一点地打开，飞行高度也逐渐地在升高。但是，前SOFIA项目科学家、现为“赫歇尔”卫星某仪器首席科学家的荷兰莱顿大学的赞德尔·蒂伦斯（Xander Tielens）认为，德莱顿飞行中心参与的同时也增加了研发成本。
SOFIA确实可以覆盖红外波段中从小于1微米到1毫米的范围，然而2009年发射的“赫歇尔”凭借其直径3.5米的望远镜和深空位置，可以涵盖SOFIA的大部分工作波段，同时还具有更高的灵敏度。“赫歇尔的确精于此道，并专门为此进行了优化，”诺贝尔物理奖得主、NASA戈达德航天中心的约翰·马瑟（John Mather）如是说。马瑟同时也是詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的项目科学家。JWST计划于2014年发射，其精心研磨的6.5米反射镜会进一步侵食SOFIA在红外光谱中较短波长上的优势。
鉴于这些竞争以及对银河系以外目标有限的灵敏度，SOFIA可能会专注于研究距离相对较近的天体，例如年轻恒星周围的灰尘、气体盘，在这些盘中最终会孕育出行星。马瑟认为，SOFIA确实有着不可否认的优势――它有很强的光谱观测能力，且不要求天体很明亮。自然地，SOFIA的一大作用就是测量这些气体和尘埃的化学组成和速度，这将有助于天文学家了解行星是如何形成的。蒂伦斯补充说，在液氦供应枯竭前，“赫歇尔”没有足够的时间完全搞清楚所有的观测目标，因此还需要大量的后续光谱观测。
自身定位
然而，KAO首席科学家埃里克·贝克林（Eric Becklin）强调，SOFIA的用途决不仅仅局限在后续观测上。从1996年起贝克林就一直是SOFIA的“候任主管”，直到他去年让路给了年轻人。现为加州大学洛杉矶分校名誉教授的贝克林说，至少在2018年日本的宇宙学和天体物理红外空间望远镜（SPICA）发射前，SOFIA将“独霸”30～60微米的这一波段区域。在这些波段中，太阳系中的行星会发出携带大气化学性质的红外辐射。
那么，SOFIA是否物有所值？做为球载大口径亚毫米波望远镜（BLAST）项目科学家、多伦多大学的天体物理学家巴思·内特菲尔德（Barth Netterfield）认为，SOFIA太奢侈了。2006年，内特菲尔德通过气球将一台2米望远镜升空并在南极上空漂浮了11天，开创性地观测了宇宙的红外背景；加上今年冬季的另一次飞行，该项目的总成本也只有700万美元。
事实上，SOFIA的大幅超支已经影响到NASA天体物理学计划中的其他项目。克利夫说，如果取消SOFIA，她将试图挽救与之竞争的其他空间任务，例如“探险家”计划。该计划几乎每年会资助一个相对廉价的空间任务，其中包括诸如雨燕γ射线天文台和威尔金森微波各向异性探测器这样的具有重大科学影响力的项目。但现在，NASA天体物理学预算的57%都流向了三个大中型任务：“哈勃”、JWST和SOFIA，小型探测器的发射率已大幅下降。
然而，在SOFIA真正投入运营之前，还很难说它的科学回报究竟有多少。1990年，在对优先发展项目所进行的“十年调查”中，美国天文学家把SOFIA排在未来十年最重要的中型项目的第三位。但根据最初的计划，SOFIA应该于1998年投入使用，造价2.3亿美元。2000年，SOFIA没有出现在当年的“十年调查”中，因为它已经在建造过程中。
此外，由于SOFIA不会在2014年前全面投入使用，因此它也免除了NASA每2年对进行中的探测任务所进行的“高级评估”。实际上，学术界20年来一直没有机会对SOFIA进行仔细的科学评估――就像内特菲尔德和其他批评者所认为的“这种情况是不可原谅的”。
首次观测
2010年5月25日，也就是上一次彩排未果一个星期后，随着太阳的下山，SOFIA被缓缓地推出了机库。在这只“大鸟”离巢的过程中，小鸟们在机库的屋顶上叽叽喳喳，似乎在为SOFIA送行，看着它缓缓地滑向跑道。
试飞员在月色中操纵着飞机从跑道上腾空而起，并把SOFIA对准了西南方，经过洛杉矶机场、圣卡塔利娜岛，飞入了预警区291――太平洋中用于军事训练的地区。随后，其他飞行员开始轮流驾驶SOFIA沿轴线飞行，而机舱内的科学家则在对几个明亮的测试目标（木星和星系M82）拍摄首批科学影像。
回首帕姆代尔机库，贝克林在网上追踪了有关SOFIA的消息。尽管作为这个项目的顾问，但贝克林和飞机之间已经没有特殊的通讯渠道。而一个更年轻的埃里克·扬（Erick Young）在去年接任了SOFIA候任主管的职务。
不过，这两个埃里克都在黎明前回到了跑道上，看着试飞员在早晨5时35分驾驶着SOFIA轻轻地着陆。很快，这架飞机又一次回到了机库。“精彩！”贝克林激动地说道，“最重要的事情是我们得到了超出我们预期的美丽图像。”扬同样欣喜若狂。他说：“这是我们第一次能够真正说，我们有了一个天文台，”
甚至克利夫也说，她很高兴地听到SOFIA飞行的消息（虽然她觉得有点不可思议）。而经历了SOFIA多年起起落落的莱斯特却很平静，他说，他不得不与SOFIA保持一定的距离，就像家长应该避免过多地把自己的梦想和愿望强加到孩子身上一样。“他们长大了――尽管最终没有实现你的梦想，但你依然爱着他们，”莱斯特说，“这就是我对SOFIA的感觉，这也是天文界许多人对SOFIA的感觉。”
资料来源 Nature
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