Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie

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Datei:SOFIA in air.jpg
SOFIA-Erstflug am 26. April 2007
KAO und SOFIA, Ames Research Center 2008
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Der Hauptspiegel vor der Beschichtung
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SOFIA im Flug mit geöffneter Teleskoptür (18. Dezember 2009)
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Das Teleskop im Rumpf des Flugzeugs
Datei:SOFIA Observatory Conducts Night Checkout Flight.ogv
SOFIA führt einen Nachterprobungsflug über Kalifornien durch (in HD).

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (englisch Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, SOFIA) ist ein fliegendes Teleskop, das die NASA gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für Infrarotastronomie entwickelte. Dafür wurde an Bord einer umgebauten Boeing 747SP mit dem Kennzeichen N747NA ein Spiegelteleskop installiert. Gegenüber erdgebundenen Infrarotteleskopen bietet es den Vorteil, dass es oberhalb der Troposphäre fliegt, welche einen Großteil der Infrarotstrahlung absorbiert.[1] SOFIA ist seit dem 30. November 2010 im Einsatz. Das System führte am 30. September 2022 seinen letzten Flug zu Forschungszwecken durch.[veraltet][2]

Planung und Geschichte

SOFIA ist für eine Betriebsdauer von 20 Jahren ausgelegt. Das Flugzeug wird vom NASA DAOF (Dryden Aircraft Operations Facility) in Palmdale, Kalifornien betrieben. An drei bis vier Nächten pro Woche sollte jeweils bis zu acht Stunden aus 12 bis 14 Kilometern Höhe beobachtet werden. Einmal jährlich sollte SOFIA in Deutschland für zwei Wochen am Flughafen Stuttgart stationiert werden. SOFIA löste das Kuiper Airborne Observatory (KAO) ab,[3] das von 1974 bis 1995 im Einsatz war.

Am 4. März 2014 gab die NASA nach Kürzungen im Haushalt bekannt, keine weiteren finanziellen Mittel mehr für das Projekt SOFIA aufbringen zu können und das Flugzeug 2015 einmotten zu wollen, falls kein Partner die Kosten übernehmen würde.[4] Der damalige Vorstandsvorsitzende des DLR Johann-Dietrich Wörner zeigte sich über die Entscheidung der NASA „bestürzt und verärgert“.[5] Nachdem die NASA ihre Mittel im Haushalt für dieses Projekt dennoch bewilligt bekam, konnte das deutsch-amerikanische Projekt fortgeführt werden.

Die Kooperation von NASA und DLR wurde am 2. Juni 2016 – beim Stand von 250 10-stündigen Beobachtungsflügen – vertraglich um weitere vier Jahre bis 2020 verlängert. 2018 sollten Forschungsergebnisse ausgewertet werden, um über eine weitere Verlängerung innerhalb des Zeitrahmens von 2030 zu entscheiden.

Am 30. September 2022 führte SOFIA das letzte Mal einen Forschungsflug durch.[6] Die NASA hat sich entschlossen, das Forschungsprojekt aufgrund zu hoher Betriebskosten einzustellen. Nach Angaben der amerikanischen Raumfahrtagentur lagen die jährlichen Betriebskosten des Flugzeuges mit knapp 85 Mio. US-Dollar nur knapp unter denen des Weltraumteleskops Hubble. Rein gemessen an der Anzahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen blieb SOFIA dabei allerdings deutlich hinter Hubble zurück – auf der Grundlage der Forschungsdaten von Hubble wurden siebenmal mehr Paper eingereicht und veröffentlicht.[7] Die Einstellung des Programms zu Ende September 2022 war bereits im April bekannt gegeben worden.[8]

Verlauf der Missionen

Der erste Testflug mit geöffneter Teleskoptür fand im Dezember 2009 statt, der erste Testflug mit Einsatz des Teleskops, das sogenannte „erste Licht“, am 26. Mai 2010.[9][10]

Der erste wissenschaftliche Beobachtungsflug wurde vom 30. November bis 1. Dezember 2010 durchgeführt. SOFIA startete von der NASA Dryden Aircraft Operations Facility in Palmdale, Kalifornien und führte mit der Infrarotkamera (FORCAST – Faint Object InfraRed-CAmera for the SOFIA Telescope) Beobachtungen in Höhen von etwa 13 km durch.[11][12] Beobachtungsziel war das Sternbild Orion.[13] Die volle Funktionalität war für 2014[14] geplant; es sollten dann etwa 160 Einsätze mit etwa 1000 Beobachtungsstunden jährlich durchgeführt werden.[15]

Im Sommer 2015 wurde SOFIA in Neuseeland stationiert, um so Ende Juni 2015 eine Sternbedeckung des Zwergplaneten Pluto beobachten zu können. Solche Bedeckungen sind relativ selten und sie konnte in diesem Fall besondere Erkenntnisse für die Pluto-Sonde New Horizons liefern, die knapp zwei Wochen später an diesem Zwergplaneten vorbeiflog.[16]

Zum Abschluss des Jahres 2015 fasste die NASA dann die Ergebnisse zusammen:[17]

  • Erforschung des Pluto
  • Förderung junger Wissenschaftler
  • Hinweise, wo das Wasser der Erde seinen Ursprung hat
  • Eine Verbindung von Supernovae und der Entstehung von Planeten
  • Der erste von SOFIA beobachtete Exoplanet

Ab dem 3. Februar 2016 absolvierte SOFIA seine vierte wissenschaftliche Mission. Am 6. Juni 2016 landete das Teleskop (nach 2013 und 2015) wieder in Christchurch in Neuseeland, um von dort bis zum 20. Juli 25 Beobachtungsflüge zu absolvieren. Erstmals flog in Neuseeland neben GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) auch eine verbesserte Version des Instruments mit: upGREAT enthält 14 empfindlichere Sensoren statt nur einem. Damit sollte etwa das Vorkommen atomaren Sauerstoffs in den Magellanschen Wolken kartiert werden. Erstmals war auch das ebenfalls deutsche FIFI-LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) in der südlichen Hemisphäre eingesetzt. Dieses Instrument sollte schneller und über ein breiteres Frequenzspektrum mehrere chemische Elemente etwa in Sternentstehungsgebieten kartieren. In neun Einsätzen sollte das US-amerikanische Instrument FORCAST (Faint Object InfraRedCAmera for the SOFIA Telescope) Staubscheiben um junge Sterne und anderswo in einem kurzwelligeren Bereich als FIFI-LS analysieren. Am 25. Juli sollte SOFIA nach Palmdale zurückkehren, um nach Wartung von Flugzeug und Teleskop von Mitte August bis Ende 2016 weitere 40 Wissenschaftsflüge von Kalifornien aus zu absolvieren.[18]

Ab dem 16. September 2019 war SOFIA erstmals am Flughafen Stuttgart stationiert. In der Nacht vom 18. auf den 19. September sollte es von dort seinen ersten Forschungsflug über Europa durchführen. Der Aufenthalt in Stuttgart sollte am 20. September enden.[19][20]

Am 4. Februar 2021 landete SOFIA auf dem Flughafen Köln/Bonn, um von dort über einen Zeitraum von sechs Wochen 20 Forschungsflüge über Europa durchzuführen. Es handelt sich um die erste vollständige SOFIA-Wissenschaftskampagne von europäischem Boden aus.[21][22]

Das Flugzeug

Als Träger des Teleskops dient eine Boeing 747SP, die einen kürzeren Rumpf, eine größere maximale Flughöhe und eine größere Reichweite als die Grundversion 747-100/200 hat. Die Boeing 747SP kann so in 12 bis 15 km Höhe über 99 Prozent des Beobachtungen störenden Wasserdampfs hinwegfliegen.[23] Die ausgewählte Maschine mit dem Kennzeichen N747NA absolvierte am 25. April 1977 als 306. gebaute B747 ihren Erstflug und wurde kurz darauf an ihren Besteller Pan Am ausgeliefert. Im Mai 1977, zum 50. Jahrestag des ersten Alleinfluges über den Atlantik von Charles Lindbergh, taufte seine Witwe Anne Morrow Lindbergh das Flugzeug auf den Namen Clipper Lindbergh. Im Februar 1986 übernahm United Airlines die Maschine, für die sie bis Ende 1995 flog. Die NASA kaufte die B747 im Jahr 1997 und begann mit den Umbauten und Testflügen in Waco, Texas. Hinter der linken Tragfläche wurde eine Tür in den Rumpf geschnitten, die für den Betrieb geöffnet wird, um das Teleskop nach oben blicken zu lassen. Die Teleskopsektion ist durch ein Druckschott von der übrigen Kabine getrennt, in der neben der dreiköpfigen Cockpitbesatzung bis zu 15 Wissenschaftler, Techniker und Beobachter arbeiten.

Nach Gerüchten über die Einstellung des Projekts Anfang 2006 bestätigte die NASA im Juli 2006 die Fortführung des Projekts offiziell.[23] Der erste Flug nach dem Umbau fand am 26. April 2007 in Waco statt. Am 21. Mai 2007 taufte Erik Lindbergh, ein Enkel von Charles Lindbergh, das Flugzeug erneut als Clipper Lindbergh. Der Stützpunkt des Flugzeuges wurde im Januar 2008 vom Dryden Flight Research Center zur Dryden Aircraft Operations Facility in Palmdale verlegt.[24]

Nach einem D-Check 2014[25] führte Lufthansa Technik wie zuletzt 2017 ab Oktober 2020 einen C-Check des Luftfahrzeuges durch, dabei wurde auch das integrierte Teleskop wieder überprüft und der German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies abgebaut und zur Wartung zum Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn gebracht.[26][27]

Teleskop

Im hinteren Rumpfbereich der B747SP ist ein von den deutschen Unternehmen MAN Technologie AG und Kayser-Threde hergestelltes Nasmyth-Teleskop eingebaut, konstruktiv eine Kombination aus einem Newton-Teleskop und einem Cassegrain-Teleskop. Wie bei letzterem werden die Strahlen vom konvexen Sekundärspiegel in Richtung Primärspiegel reflektiert, aber vor dessen Erreichen durch einen dritten, plangeschliffenen Spiegel um 90° zur Seite gelenkt. Der letzte Abschnitt des Strahlengangs mit dem Brennpunkt (Nasmyth-Fokus) fällt mit der Neigeachse des Teleskops und der Längsachse des Flugzeugs zusammen und ist daher stationär. Das Spiegelteleskop dreht sich in einem vor der Teleskopgleittür mit dem Rumpfumfang durch ein Druckschott verbundenen, kreisförmigen, hydrostatisch mit Öl gedichteten Lagerkranz mit 1,2 m Durchmesser und 600 kg von Schaeffler und nimmt dabei auch den Tubus und Nebenaggregate, die vor dem Kranz liegen, mit. Der Strahl verläuft zuletzt in Flugrichtung und durchläuft hier die am Tubus montierten Messinstrumente, die sich mitdrehen.

Das Teleskop kann so genau nachgeführt werden, dass eine Münze aus zwölf Kilometern Höhe von einem an der Aufhängung montierten Laserpointer getroffen werden könnte.[28]

Verbunden ist das samt angebauten Instrumenten hantelförmige aus Kohlefaserstruktur aufgebaute, in der Mitte dicht und schwingungsisolierend gelagerte Teleskop über eine in eine Grube im Boden reichende Bandschleife mit verschiedenen Leitungen für Energie, Messung, Steuerung, Kühlung und Daten. Die Leitungen laufen zu einem stehenden Rack mit den Funktionen Versorgung und Datenverarbeitung.

Für die Einstellung der richtigen Rektaszension sorgt im Wesentlichen der entsprechende Steuerkurs des Flugzeugs, das typisch etwa kreisbogenförmige Strecken über dem Globus fliegt. Das Teleskop sieht per Zahnkranzantrieb gesteuert mit 15–70° Elevation nur backbordseitig (= links) aus dem Flugzeug und wird zusätzlich mit Linearmotoren ±3° weit feinjustiert.

Die Einsatzhöhe über der Troposphäre und ein Spektralbereich des Teleskops von 0,3 µm bis 1600 µm[29] ermöglichen Beobachtungen in einem weiten Infrarotbereich, der für bodengebundene Observatorien aufgrund von Absorptionen hauptsächlich durch in der Troposphäre enthaltenen Wasserdampf nur ausschnittsweise im Infrarotfenster zugänglich ist.

Der Hauptspiegel hat einen Durchmesser von 270 Zentimetern und eine – durch die Abschattung (Obstruktion) der beiden kleineren Spiegel – effektive Öffnung von 250 Zentimetern. Das mit Rahmen, Lagern und Zusatzinstrumenten rund 17 Tonnen schwere Teleskop wurde nach Transport durch ein Airbus-Beluga-Flugzeug im Februar 2004 installiert und in der Nacht zum 19. August 2004 erstmals in den Himmel gerichtet. Dabei blieb das Flugzeug allerdings noch am Boden.

Die halbzylindrische Fensteröffnung umfasst die obere Hälfte eines etwa vier Metern langen Rumpfabschnitts hinter den Tragflächen und vor dem T-Leitwerk. Die dadurch erfolgte Einschnürung des tragenden Rumpfs auf die halbe Höhe, waren hier entsprechend gravierende Versteifungen notwendig. Das Fenster wird von innen mit einer Gleittür auf kreisförmiger Bahn teilweise oder ganz und damit regenfest verschlossen. Vor der in Flugrichtung vorderen Kante der Öffnung liegt quer eine kleine schräge Rampe, um die vorbeistreifende Luftströmung und eventuell ankommende Festkörper, wie Vögel, ausreichend abzuweisen und so am Eindringen zu hindern.

Das Teleskop ist fokusseitig ständig zugänglich. Objektivseitig herrschen jedoch der niedrige Außendruck und zirka 210–230 K (−63 bis −43 °C) Kälte.

Literatur

  • Wendy Whiting-Dolci: Milestones in Airborne Astronomy: From the 1920’s to the Present. AIAA, World Aviation Congress, Anaheim 1997, online, (PDF, 3 MB, abgerufen am 30. März 2009).

Weblinks

Commons: Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Teleskop beobachtet Weltraum von Jumbojet aus Spiegel Online vom 27. Mai 2010, abgerufen am 27. Mai 2010.
  2. ↑ NASA, Partner Decide to Conclude SOFIA Mission. NASA-Pressemeldung vom 28. April 2022.
  3. ↑ Vgl. auch: Lear Jet Observatory – aus 1967, erhielt 1998 eine zweite Kameraausstattung.
  4. ↑ Alexander Stirn: Teleskop Sofia – Die Nasa lässt die deutsche Raumfahrt im Stich. sueddeutsche.de, 5. März 2014, abgerufen am 6. März 2014.
  5. ↑ Olaf Stampf: „Es geht nur ums Geld“. In: Der Spiegel. Nr. 12, 18. März 2014, ISSN 0038-7452, S. 116 (spiegel.de [abgerufen am 15. November 2014]).
  6. ↑ Patrick Zwerger: Der Jumbo Jet mit Loch im Rumpf geht in Rente. In: FlugRevue. 1. Oktober 2022, abgerufen am 1. Oktober 2022.
  7. ↑ Ramin Skibba: Sofia, the Historic Airplane-Borne Telescope, Lands for the Last Time. In: Wired. 30. September 2022, abgerufen am 1. Oktober 2022 (englisch): „While scientists like De Buizer and Lopez Rodriguez did publish many new findings with Sofia, including some high-profile ones, Dreier points out that scientists using the Hubble Space Telescope produced about seven times as many papers in the year 2019 as astronomers had generated with Sofia in the five years leading up to 2019.“
  8. ↑ NASA, Partner Decide to Conclude SOFIA Mission. nasa.gov, 28. April 2022, abgerufen am 29. April 2022 (amerikanisches Englisch).
  9. ↑ Beth Hagenauer, J.D. Harrington: NASA Flight Tests Unique Jumbo Jet with Opening in Side: Plane’s Airborne Telescope Will Be Used to Study Cosmos. NASA, 18. Dezember 2009, abgerufen am 20. Dezember 2009.
  10. ↑ SOFIA macht Fortschritte – Deutschsprachiger Artikel auf Raumfahrer.net vom 26. Dezember 2009, abgerufen am 27. Mai 2010
  11. ↑ Erster Wissenschaftsflug der fliegenden Sternwarte SOFIA erfolgreich, auf dlr.de, 1. Dezember 2010, abgerufen am 18. Apr. 2019
  12. ↑ NASA-German SOFIA Observatory Completes First Science Flight (Memento vom 3. April 2012 im Internet Archive) sofia.usra.edu, 1. Dezember, abgerufen am 4. Dezember 2010
  13. ↑ SOFIA Image Gallery – Orion mid-IR image, abgerufen am 4. Dezember 2010
  14. ↑ SOFIA Completes Closed-Door Test Flights vom 16. Januar 2008, abgerufen am 27. Mai 2010 (englisch)
  15. ↑ SOFIA sieht erstes Sternenlicht. In: Raumfahrer.net. 26. Mai 2010, abgerufen am 30. Mai 2010.
  16. ↑ SOFIA in the Right Place at the Right Time for Pluto Observations. NASA, 29. Juni 2015, abgerufen am 22. Februar 2016 (englisch).
  17. ↑ SOFIA Completes Busy Year, Highlights of 2015. NASA, 28. Dezember 2015, abgerufen am 22. Februar 2016 (englisch).
  18. ↑ Down Under: Fliegende Sternwarte SOFIA mit drei Instrumenten in Neuseeland dlr.de, 7. Juni 2016, abgerufen am 6. Oktober 2016.
  19. ↑ Forschungsflieger Sofia: Boeing 747 SP blickt von Stuttgart ins Universum. In: aeroTELEGRAPH. 17. September 2019, abgerufen am 19. September 2019 (Schweizer Hochdeutsch).
  20. ↑ Fliegende Sternwarte SOFIA zu Gast am Stuttgarter Flughafen uni-stuttgart.de, 3. September 2019, archiviert am 20. September 2019.
  21. ↑ Christian Parth: Sternwarte Sofia auf Mission am Köln-Bonner Flughafen. In: Kölner Stadt-Anzeiger. 4. Februar 2021, abgerufen am 7. Februar 2021.
  22. ↑ Christian Parth: Von Köln zu den Sternen. In: Kölner Stadt-Anzeiger. 5. Februar 2021, S. 03.
  23. ↑ a b Harald Zaun: Jumbo-Phoenix aus der Asche. Telepolis, vom 5. November 2006, abgerufen am 27. Mai 2010
  24. ↑ Air International, August 2009, S. 73
  25. ↑ DSI Hintergrundmaterial zur Generalüberholung in Hamburg dsi.uni-stuttgart.de; SOFIA’s Heavy Maintenance Visit Time Lapse abgerufen am 15. November 2014
  26. ↑ Wie Lufthansa Technik die fliegende Sternwarte flott macht. aerotelegraph.com, 1. Oktober 2020, abgerufen am 1. Oktober 2020.
  27. ↑ Unique maintenance at the highest level. lufthansa-technik.com, abgerufen am 2. Oktober 2020 (englisch).
  28. ↑ Den Sternen so nah. In: tomorrow. Schaeffler, September 2021, abgerufen am 27. Oktober 2021.
  29. ↑ SOFIA-Datenblatt (PDF; 87 kB) auf dlr.de
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