Het gebruik van sterrenkundige apparatuur aan boord van vliegtuigen stamt uit de jaren 1920 en richtte zich uitsluitend op zonnewaarnemingen. De voordelen van het inzetten van vliegtuigen voor zonsverduisteringen zijn legio; waarnemingen boven de wolken op de gewenste geografische locatie, langere tijd in de schaduw van een verduistering vertoeven en waarnemen met infrarood telescopen boven de vochtigste lagen van de troposfeer.
Wellicht de eerste astronomische waarneming vanuit een vliegtuig gebeurde aan boord van een US-Navy DeHavilland DH-4B dubbeldekker tijdens de zonne-eclips van 10 september 1923. Begin de jaren '30 kreeg de National Geographic Society (NGS) interesse om zonsverduisteringen vanuit de lucht te fotograferen. Tijdens de eclips van 31 augustus 1932 slaagde men erin om de corona op de gevoelige plaat vast te leggen. NGS maakte tevens een schitterende reeks foto’s van de zonsverduistering van 8 mei 1948 boven Alaska.
tijdens de DLR open dag in september 2011 - Foto: Philip Corneille
Begin de jaren '60 ontwikkelde de Amerikaanse astrofysicus Frank James Low (1933-2009) een met Gallium versterkte Germanium bolometer, waardoor infrarood waarnemingen konden worden verricht tot op een golflengte van 1 000 microns. De ontwikkeling van bolometers, die fungeren als detectoren in warmtebeeld camera’s, was van vitaal belang voor de verdere ontwikkeling van infrarood telescopen, gebruikt aan boord van vliegtuigen en ruimtetelescopen. Gestimuleerd door de Nederlandse-Amerikaanse astronoom Gerard Kuiper (1905-1973), ontwikkelden Frank Low en Carl Gillespie een 30 cm Dall-Kirkham cassegrain reflector voor infrarood waarnemingen. Hun “Flying Infrared Telescope” werd aan boord van een NASA Learjet in een open lucht module geïntegreerd en zag First Light in oktober 1968.
NASA’s succes met de 30 cm reflector leidde tot de ontwikkeling van een 0,915 m spiegeltelescoop die in april 1973 in het voorste gedeelte van een gemodificeerd Lockheed C-141 vrachtvliegtuig werd geïntegreerd. Deze cassegrain reflector observeerde vanuit een open lucht module en zag First Light in januari 1974. In 1975 kreeg het toestel kreeg de naam “Kuiper Airborne Observatory” (KAO) ter ere van de Nederlandse-Amerikaanse astronoom Gerard Kuiper. Tussen januari 1974 en oktober 1995 deed KAO belangrijke ontdekkingen: de ringen van Uranus (maart 1977), water in de kometen Halley (februari 1986) en Shoemaker-Levy 9 (mei 1994), IR-waarnemingen van de geboorte van sterren in de Orion nevel, de zwakke atmosfeer van dwergplaneet Pluto (1988), en IR-waarnemingen van Sagittarius A, het zwart gat in het centrum van ons melkwegstelsel.
tijdens de vlucht worden bijgesteld - Foto: Philip Corneille
Infrarood astronomen smeekten om een grotere telescoop en in 1997 kocht NASA een Boeing 747SP (registratie N747NA) om deze als vliegend observatorium in te zetten. Het toestel kreeg de naam SOFIA (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy) omdat het in de stratosfeer op een hoogte van 13 700 m, boven de wolkenlagen die 99% van alle water in de troposfeer bevatten, observaties kan uitvoeren. Een infrarood telescoop aan boord van een Boeing 747SP, uitgerust om langere vluchten uit te voeren, heeft vele voorbeelden ten opzichte van IR-apparatuur aan boord van satellieten. Naast de dure kostprijs voor de lancering heeft een IR-ruimtetelescoop het nadeel van een beperkte hoeveelheid koelvloeistof. De IRAS (InfraRed Astronomical Satellite) ruimtetelescoop, gelanceerd in januari 1983, opereerde slechts 10 maanden lang. Astronomen aan boord van een vliegtuig kunnen onmiddellijk inspelen op eventuele problemen en de detectoren nauwkeurig instellen. Bovendien werd NASA’s SOFIA uitgerust met een 2,71 m (effectieve diameter = 2,50 m) spiegeltelescoop en deze is groter dan de 2,4 m Hubble Space Telescope.
Terwijl NASA’s Ames Research center in Californië instond voor de modificaties aan de Boeing 747SP, werd de spiegel en de montering, onder toezicht van DLR (Deutsches Zentrum für Luft & Raumfahrt) door Europese bedrijven en instellingen ontwikkeld. In 1998 produceerde Schott Glaswerke in Mainz – Duitsland een 3,0 m blank hoofdspiegel die 3 800 kg woog. Daarna kreeg REOSC-SAGEM in Parijs – Frankrijk de moeilijke taak om het gewicht van deze hoofdspiegel met 75% te reduceren. Hiervoor werden een reeks hexagonale holtes onderin de blank spiegel gemaakt en werd de diameter van de spiegel gereduceerd tot 2,71 m. Dankzij deze 120 hexagonale holtes werd een lichtere maar stijvere “honingraat” hoofdspiegel verkregen.
Aluminium coating - Foto: NASA-ARC
Het polijsten van het spiegelvlak tot een f/1,28 curve bleek de grootste uitdaging, waarna de spiegel uiteindelijk slechts 880 kg woog. Gezien de gewichtslimiet van het vliegtuig restte er nog 15 000 kg voor de montering. SOFIA’s montering zit in een aerodynamische holte achterin de Boeing 747SP en bestaat uit drie delen; spiegelcel in een open truss systeem (1), nasmyth focus met detector en koelapparatuur (2), deze delen worden gescheiden door een lucht- en waterdicht schot tussen de openlucht telescoop module en de detector apparatuur aan de binnenkant van het vliegtuig. Het tussenschot diende te weerstaan aan de grote druk- en temperatuursverschillen (tot 75° C) tussen de openlucht telescoop en de rest van het vliegtuig met druk- en temperatuursniveaus zoals elk passagiersvliegtuig.
Het 10 000 kg zware beweegbare gedeelte van de telescoop zit in een bolvorm geconstrueerd uit speciale ijzer-legeringen door FAG-Wuppertal Schaeffer Group – Duitsland. Het geheel rust op speciaal ontworpen lagers van het schokwerend isolatie systeem ontworpen door MT-Mechatronics in Mainz – Duitsland. In 2002 werd de volledige telescoop door ingenieurs van Kayser-Threde in Munchen in de MAN Technologie werkplaats te Augsburg geassembleerd. De 17,5 ton zware telescoop werd met een Airbus A300-600 Beluga overgevlogen naar NASA’s Dryden aircraft operations facility in Palmdale, Californië – VSA. SOFIA’s telescoop is een cassegrain reflector met nasmyth focus (f19,6) en een beeldveld van 8 boogminuten. Tijdens de vlucht dient de telescoop met een nauwkeurigheid van 0,2 boogseconden op het te observeren object gericht te blijven. Hiervoor werd de telescoop uitgerust met een camera en twee richttelescopen om de posities van referentie sterren in het beeldveld te controleren en de gyroscopen bij te sturen. SOFIA maakte de eerste testvlucht in april 2007 en in oktober 2008 kregen de 2,50 m hoofdspiegel, de 0,40 m secondaire spiegel en de 0,30 m tertiaire spiegel een nieuwe aluminium coating. In de nacht van 25/26 mei 2010 zag SOFIA “First Light” waarbij de planeet Jupiter en Messier 82 werden waargenomen. Uiteindelijk betaalde DLR voor 20% van het SOFIA project, zodat Europese astronomen verzekerd zijn van minstens 20% van de gereserveerde observatie tijd.
.jpg "SOFIA")
Sinds december 2010 maakt SOFIA wetenschapplijke vluchten waarbij de eerste generatie instrumenten en detectoren zoals FORCAST (Faint Object infraRed Camera for Sofia Telescope) en HIPO (High speed Imaging Photometer for Occultations) werden uitgetest. In de nacht van 15/16 september 2011 maakte SOFIA vanuit Palmdale haar eerste trans-atlantische vlucht via de Noordpool naar Keulen om aan de DLR-tag luchtvaartshow deel te nemen. Tijdens deze vlucht werd de GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) spectrometer uitgetest door een team astronomen van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie te Bonn – Duitsland. Tegen 2014 hopen NASA en DLR dat SOFIA volledig operationeel zal zijn om een honderdtal vluchten per jaar uit te voeren. Hierbij zullen opnieuw enkele leraren/leraressen wetenschap de gelegenheid krijgen om het project bij de schoolgaande jeugd en studenten te promoten. Intussen kijken zowel astronomen alsook het grote publiek uit naar nieuwe ontdekkingen in de fascinerende wereld van de infrarood sterrenkunde!
