Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja

El Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja ( SOFIA ) fue un proyecto conjunto 80/20 de la NASA y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) ^{[ 1 ]} para construir y mantener un observatorio aerotransportado . La NASA adjudicó el contrato para el desarrollo de la aeronave, la operación del observatorio y la gestión de la parte estadounidense del proyecto a la Universities Space Research Association (USRA) en 1996. El DSI (Instituto Alemán SOFIA; en alemán : Deutsches SOFIA Institut ) gestionó las partes alemanas del proyecto, que estaban principalmente relacionadas con la ciencia y el telescopio. El telescopio de SOFIA vio la luz por primera vez el 26 de mayo de 2010. SOFIA fue el sucesor del Observatorio Aerotransportado Kuiper . Durante vuelos nocturnos de 10 horas, observó campos magnéticos celestes, regiones de formación estelar, cometas, nebulosas y el Centro Galáctico .

Los vuelos científicos concluyeron tras el aterrizaje del vuelo número 921 y último en la madrugada del 29 de septiembre de 2022. El Boeing 747SP que transportaba el telescopio se ha conservado y se exhibe en el Museo del Aire y el Espacio de Pima, cerca de Tucson, Arizona .

SOFIA se basó en un Boeing 747SP , una versión acortada de fábrica del avión de fuselaje ancho que había sido modificada para incluir una gran puerta en la parte trasera del fuselaje que podía abrirse en vuelo para permitir el acceso al cielo de un telescopio reflector de 2,5 m (8,2 pies) de diámetro . ^{[ 2 ]} Este telescopio fue diseñado para observaciones astronómicas infrarrojas en la estratosfera a altitudes de aproximadamente 12 kilómetros (41 000 pies) . La capacidad de vuelo de SOFIA le permitió elevarse por encima de casi todo el vapor de agua de la atmósfera terrestre, que bloquea algunas longitudes de onda infrarrojas que llegan al suelo. A la altitud de crucero de la aeronave, estaba disponible el 85 % del rango infrarrojo completo. La aeronave también podía viajar por encima de casi cualquier punto de la superficie terrestre, lo que permitía la observación desde los hemisferios norte y sur.   

Los vuelos de observación se realizaban tres o cuatro noches por semana. El Observatorio SOFIA tenía su sede en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA en el Aeropuerto Regional de Palmdale , California, mientras que el Centro Científico SOFIA estaba ubicado en el Centro de Investigación Ames , en Mountain View, California.

El telescopio

SOFIA empleó un telescopio reflector de 2,5 m (8,2 pies) , con un espejo primario sobredimensionado de 2,7 m (8,9 pies) de diámetro, como era común en la mayoría de los grandes telescopios infrarrojos. ^{[ 3 ]} El sistema óptico empleó un diseño de reflector Cassegrain con un espejo primario parabólico y un secundario hiperbólico configurable remotamente . Para que el telescopio cupiera en el fuselaje, el primario se conformó con un número f tan bajo como 1,3, mientras que la configuración óptica resultante tiene un número f de 19,7. Se utilizó un espejo dicroico terciario plano para desviar la parte infrarroja del haz hacia el foco Nasmyth, donde puede ser analizada. Un espejo óptico situado detrás del espejo terciario se utilizó para un sistema de guiado de la cámara. ^{[ 4 ]}    

El telescopio se ubicaba a través de una gran puerta en el lado izquierdo del fuselaje , cerca de la cola del avión, y en un principio transportaba nueve instrumentos para astronomía infrarroja en longitudes de onda de 1 a 655 micrómetros (μm) y astronomía óptica de alta velocidad en longitudes de onda de 0,3 a 1,1 μm. Los instrumentos principales eran FLITECAM, una cámara de infrarrojo cercano que cubría de 1 a 5 μm; FORCAST, que cubría el rango de infrarrojo medio de 5 a 40 μm; y HAWC, que abarcaba el infrarrojo lejano en el rango de 42 a 210 μm. Los otros cuatro instrumentos incluían un fotómetro óptico y espectrómetros infrarrojos con varios rangos espectrales. ^{[ 5 ]} Durante su tiempo en servicio, el telescopio de SOFIA fue, con diferencia, el más grande instalado en una aeronave. Para cada misión, se acoplaba al telescopio un instrumento científico intercambiable. Había dos grupos de instrumentos de propósito general disponibles. Además, un investigador también podía diseñar y construir un instrumento de propósito especial. El 17 de abril de 2012, la NASA seleccionó dos mejoras para HAWC: aumentar el campo de visión con nuevos conjuntos de detectores de bolómetros de sensores de borde de transición y añadir la capacidad de medir la polarización de la emisión de polvo de fuentes celestes. ^{[ 6 ]}

La cavidad abierta que albergaba el telescopio estaba expuesta a vientos turbulentos de alta velocidad. Además, las vibraciones y los movimientos de la aeronave dificultaban la observación. El telescopio se diseñó para ser muy ligero, con una estructura de panal fresada en la parte posterior del espejo y un material compuesto de polímero utilizado para su ensamblaje. La montura incluía un sistema de cojinetes en aceite a presión para aislar el instrumento de las vibraciones. El seguimiento se lograba mediante un sistema de giroscopios, cámaras de alta velocidad y motores de par magnético para compensar el movimiento, incluidas las vibraciones del flujo de aire y los motores de la aeronave. ^{[ 7 ]} La cabina del telescopio se enfriaba antes del despegue para asegurar que el telescopio igualara la temperatura externa que experimentaría en altitud y así evitar cambios de forma inducidos térmicamente. Antes del aterrizaje, el compartimento se inundó con gas nitrógeno para evitar la condensación de humedad en la óptica y los instrumentos refrigerados. ^{[ 4 ]}

El DLR fue responsable del diseño y ensamblaje completo del telescopio, así como de dos de los nueve instrumentos científicos utilizados con él; la NASA fue responsable de la aeronave. La fabricación del telescopio se subcontrató a la industria europea. El telescopio era de fabricación alemana; el espejo primario fue fundido por Schott AG en Maguncia, Alemania, con mejoras de aligeramiento, y el pulido y rectificado fueron realizados por la empresa francesa SAGEM -REOSC. El mecanismo del espejo secundario, basado en carburo de silicio, fue fabricado por el Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM). Se aplicó un recubrimiento reflectante al espejo primario entre una y dos veces al año, primero en una instalación subcontratada en Luisiana, hasta que el consorcio estableció su propia instalación de recubrimiento en Moffett Field . ^{[ 8 ]}

El avión SOFIA

El avión SOFIA era un Boeing 747SP modificado . ^{[ 9 ]} Boeing desarrolló la versión SP o "Special Performance" del 747 para vuelos de ultra largo alcance, modificando el diseño del 747-100 al eliminar secciones del fuselaje y modificar profundamente otras para reducir el peso, lo que permitió al 747SP volar más alto, más rápido y más lejos sin escalas que cualquier otro modelo 747 de la época. ^{[ 14 ]}

Boeing asignó el número de serie 21441 al fuselaje que eventualmente se convertiría en SOFIA; fue el 747 número 306 en ser construido. El primer vuelo de esta aeronave fue el 25 de abril de 1977, y Boeing entregó la aeronave a Pan American World Airways el 6 de mayo de 1977. La aeronave recibió su primera matrícula , N536PA, y Pan Am la puso en servicio comercial de pasajeros. ^{[ 11 ]} Pan Am nombró la aeronave en honor al aviador Charles Lindbergh . Por invitación de Pan Am, la viuda de Lindbergh, Anne , bautizó la aeronave como Clipper Lindbergh el 20 de mayo de 1977, el 50 aniversario del inicio del histórico vuelo de su esposo de Nueva York a París en 1927. ^{[ 11 ]}

United Airlines compró el avión a Pan Am el 13 de febrero de 1986, y la aeronave recibió una nueva matrícula, N145UA. También se le aplicó una nueva librea sin el nombre de Lindbergh. El avión permaneció en servicio hasta diciembre de 1995, cuando United Airlines lo almacenó cerca de Las Vegas. ^{[ 15 ]}

El 30 de abril de 1997, la Universities Space Research Association (USRA) compró la aeronave a United para usarla como observatorio aéreo. El 27 de octubre de 1997, la NASA compró la aeronave a la USRA. ^{[ 15 ]} Ese año, la NASA realizó una serie de pruebas de vuelo "de referencia", antes de cualquier modificación importante de la aeronave por parte de E-Systems (más tarde Raytheon Intelligence and Information Systems y luego L-3 Communications Integrated Systems de Waco, Texas ). Para asegurar el éxito de la modificación, Raytheon compró una sección de otro 747SP, con número de registro N141UA, que iba a ser desguazado a principios de 1998, para usarla como maqueta a tamaño real . ^{[ 16 ]}

En 1998, Raytheon diseñó e instaló una puerta de 5,5 m (18 pies) de altura (longitud de arco) por 4,1 m (13,5 pies) de ancho en la parte trasera izquierda del fuselaje de la aeronave, que podía abrirse en vuelo para permitir el acceso del telescopio al cielo. El telescopio estaba montado en la parte trasera del fuselaje, detrás de un mamparo presurizado. El punto focal del telescopio se ubica en un conjunto de instrumentos científicos en la sección central presurizada del fuselaje, lo que requiere que parte del telescopio atraviese dicho mamparo. En el centro de la aeronave se encontraba la sección de control de misión y operaciones científicas, mientras que la sección delantera albergaba el área de educación y divulgación pública. El fuselaje abierto no tuvo una influencia significativa en la aerodinámica ni en las cualidades de vuelo del avión. ^{[ 17 ]}    

Por invitación de la NASA, el nieto de Lindbergh, Erik Lindbergh , rebautizó la aeronave como Clipper Lindbergh el 21 de mayo de 2007, en el 80 aniversario de la finalización del vuelo transatlántico de Charles Lindbergh. ^{[ 18 ]}

Durante diciembre de 2012, la aeronave recibió una actualización de la cabina de vuelo con cristal, junto con nuevos sistemas de aviónica y actualizaciones de software. El diseño se basó en el diseño de la cabina de cristal del 747-400, pero conservó numerosos elementos de personalización específicos para la misión SOFIA. Entre ellos, como muestran las fotos documentadas, un panel de disyuntores eléctricos superior principal personalizado, con los controles principales de combustible, motor e hidráulicos trasladados desde las ubicaciones predeterminadas del 747-400. Una pantalla multifunción central que reemplazó la pantalla EFIS/EICAS tradicional del 744 y algunas luces indicadoras personalizadas específicas para los límites del telescopio SOFIA y los límites del perfil de vuelo. ^{[ 19 ]}

El 28 de abril de 2022, el proyecto anunció que retiraría la aeronave el 30 de septiembre de 2022. Su misión número 921 y última fue sobre el Océano Pacífico Norte, frente a la costa de California, despegando de Palmdale y regresando allí para aterrizar 7 horas y 57 minutos después, a las 04:41 PDT (11:41 UTC ). ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

El último vuelo de la aeronave tuvo lugar el 13 de diciembre de 2022, cuando partió de Palmdale y aterrizó en la Base de la Fuerza Aérea Davis-Monthan , para ser donada al Museo del Aire y el Espacio de Pima, ubicado cerca de Tucson, Arizona , donde se exhibe desde entonces. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

El primer uso de una aeronave para realizar observaciones infrarrojas fue en 1965, cuando Gerard P. Kuiper utilizó el Observatorio Aerotransportado Galileo de la NASA para estudiar Venus. Tres años después, Frank J. Low utilizó el Observatorio Learjet de Ames para observar Júpiter y nebulosas. ^{[ 26 ]} En 1969, se inició la planificación para montar un telescopio de 910 mm (36 pulgadas) en una plataforma aérea. El objetivo era realizar astronomía desde la estratosfera , donde la profundidad óptica era mucho menor debido a la radiación infrarroja absorbida por el vapor de agua . Este proyecto, denominado Observatorio Aerotransportado Kuiper , se inauguró el 21 de mayo de 1975. El telescopio fue fundamental en numerosos estudios científicos, incluido el descubrimiento del sistema de anillos alrededor del planeta Urano. ^{[ 27 ]}  

La propuesta para un telescopio de mayor tamaño montado en una aeronave se presentó oficialmente en 1984 y contemplaba que un Boeing 747 transportara un telescopio de tres metros. El concepto preliminar del sistema se publicó en 1987 en un Libro Rojo . Se acordó que Alemania contribuiría con el 20% del coste total y proporcionaría el telescopio. Sin embargo, la reunificación de Alemania y los recortes presupuestarios en la NASA provocaron un retraso de cinco años en el proyecto. La NASA subcontrató entonces el trabajo a la Asociación de Investigación Espacial de las Universidades (USRA), y en 1996, la NASA y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) firmaron un memorando de entendimiento para construir y operar SOFIA. ^{[ 28 ]}

El espejo primario del telescopio SOFIA tenía 2,5 metros de diámetro y estaba fabricado con Zerodur , un compuesto vitrocerámico producido por Schott AG que tiene una dilatación térmica casi nula . REOSC, el departamento óptico del Grupo SAGEM en Francia, redujo el peso fresando cavidades en forma de panal en la parte posterior. Terminaron de pulir el espejo el 14 de diciembre de 1999, logrando una precisión de 8,5 nanómetros (nm) en la superficie óptica. ^{[ 29 ]} El espejo secundario en forma de hipérbola estaba hecho de carburo de silicio , y su pulido se completó en mayo de 2000. ^{[ 4 ]} Durante 2002, los componentes principales del telescopio se ensamblaron en Augsburgo , Alemania. Estos consistían en el conjunto del espejo primario, el soporte óptico principal y el conjunto de suspensión. Después de realizar con éxito las pruebas de integración para verificar el sistema, los componentes se enviaron a Waco, Texas, a bordo de un avión Airbus Beluga . Llegaron el 4 de septiembre de 2002. ^{[ 30 ]} SOFIA completó su primera prueba terrestre "en el cielo" el 18 y 19 de agosto de 2004 tomando una imagen de la estrella Polaris . ^{[ 31 ]}

El proyecto sufrió un nuevo retraso en 2001 cuando tres subcontratistas encargados del desarrollo de la puerta del telescopio quebraron sucesivamente. United Airlines también se declaró en bancarrota y se retiró del proyecto como operador de la aeronave. El telescopio fue transportado de Alemania a Estados Unidos, donde se instaló en el fuselaje en 2004 y se realizaron las primeras observaciones desde tierra. ^{[ 7 ]}

En febrero de 2006, tras un aumento de costes de 185  millones de dólares a 330  millones de dólares, ^{[ 32 ]} la NASA puso el proyecto "en revisión" y suspendió su financiación al eliminarlo de su presupuesto. El 15 de junio de 2006, SOFIA superó la revisión cuando la NASA concluyó que no existían desafíos técnicos o programáticos insuperables para el desarrollo continuo de SOFIA. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

El vuelo inaugural de SOFIA tuvo lugar el 26 de abril de 2007 en las  instalaciones de L-3 Integrated Systems (L-3 IS) en Waco, Texas. ^{[ 35 ]} Tras un breve programa de pruebas en Waco para ampliar parcialmente la envolvente de vuelo y realizar comprobaciones posteriores al mantenimiento, la aeronave fue trasladada el 31 de mayo de 2007 al Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA en la Base de la Fuerza Aérea Edwards . La primera fase de pruebas de carga y vuelo se utilizó para comprobar las características de la aeronave con la puerta de la cavidad del telescopio externo cerrada. Esta fase se completó con éxito en enero de 2008 en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA. ^{[ 36 ]}

El 18 de diciembre de 2009, la aeronave SOFIA realizó el primer vuelo de prueba en el que la puerta del telescopio se abrió completamente. Esta fase duró dos minutos de los 79 minutos de vuelo. El telescopio de SOFIA vio su primera luz el 26 de mayo de 2010, enviando imágenes que mostraban el núcleo de M82 y el calor de la formación de Júpiter escapando a través de su capa de nubes. ^{[ 37 ]} Los vuelos iniciales de observación científica "rutinarios" comenzaron en diciembre de 2010 ^{[ 13 ]} y el observatorio estaba programado para alcanzar su plena capacidad en 2014 con unos 100 vuelos por año. ^{[ 7 ] [ 36 ]}

Desde 2011, las misiones SOFIA se seleccionaron entre varias propuestas. Las misiones exitosas se programaron según ciclos anuales, correspondiendo el primer ciclo a 2013. Durante cada ciclo, la aeronave y los instrumentos se compartieron entre varias misiones diferentes. ^{[ 38 ]}

El estudio decenal de astrofísica para la década de 2020 recomendó que la NASA pusiera fin a las operaciones de SOFIA para 2023. "El comité del estudio tiene importantes preocupaciones sobre SOFIA, dado su alto costo y su modesta productividad científica", afirmó el informe. ^{[ 39 ]}

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  KAO y SOFIA, Centro de Investigación Ames , 2008.
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  Un avión de apoyo a la misión F/A-18 sigue de cerca a SOFIA durante un vuelo de comprobación funcional.
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  El instrumento HAWC+ montado en el telescopio SOFIA.
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  Conjunto de espejos primarios (PMA) de SOFIA

Los objetivos científicos principales de SOFIA eran estudiar la composición de las atmósferas y superficies planetarias ; investigar la estructura, evolución y composición de los cometas ; determinar la física y la química del medio interestelar ; y explorar la formación de estrellas y otros objetos estelares. Si bien las operaciones de la aeronave SOFIA fueron gestionadas por el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA en Palmdale, California, el Centro de Investigación Ames de la NASA en Mountain View, California, albergaba el Centro Científico SOFIA, que gestionaba la planificación de la misión para el programa. ^{[ 7 ]} El 29 de junio de 2015, el planeta enano Plutón pasó entre una estrella distante y la Tierra , produciendo una sombra en la Tierra cerca de Nueva Zelanda que permitió a SOFIA estudiar la atmósfera de Plutón . ^{[ 40 ]}

Ciencia SOFIA: material eyectado por remanentes de supernova que produce material para la formación de planetas.

A principios de 2016, SOFIA detectó oxígeno atómico en la atmósfera de Marte por primera vez en 40 años. ^{[ 41 ]} A principios de 2017, sus observaciones de 1 Ceres en el infrarrojo medio ayudaron a determinar que el gran asteroide/planeta enano estaba cubierto con una capa de polvo de asteroides de otros cuerpos. ^{[ 42 ]} En julio de 2017, SOFIA observó una ocultación estelar del distante objeto del cinturón de Kuiper 486958 Arrokoth mientras que los observatorios terrestres no lograron esta observación, preparando así la visita de la sonda New Horizons a este asteroide.

Sofia también se ha utilizado para misiones de astrobiología, centrándose entre otros objetivos en la observación de nuevos sistemas planetarios y la detección de moléculas complejas. ^{[ 43 ]}

En octubre de 2020, los astrónomos informaron haber detectado agua molecular en la superficie iluminada por el sol de la Luna mediante varias naves espaciales independientes, incluido el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA). ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]}

Entre enero y mayo de 2022, utilizando el instrumento FORCAST a bordo de SOFIA, se detectó agua en asteroides por primera vez. El descubrimiento se describió en un artículo publicado en febrero de 2024. ^{[ 48 ]}

SOFIA fue diseñado desde el principio para respaldar un sólido esfuerzo de educación y divulgación pública que, durante los 20 años de duración prevista de la misión, pueda involucrar directamente a más de mil educadores de todo tipo —maestros de primaria y secundaria , educadores de museos de ciencia y planetarios, y especialistas en divulgación pública— como socios del científico, y llegar a cientos de miles de personas en todo el país a través de estos educadores. ^{[ 49 ]}

Los "SOFIA Six" fueron el primer grupo de educadores seleccionados en Estados Unidos para participar en el programa piloto AAA de SOFIA, y volaron durante el verano de 2011. Alemania tuvo un proceso de solicitud independiente, pero también envió a dos maestros ese verano. ^{[ 50 ]} Los equipos de educadores, más los suplentes, fueron seleccionados en un proceso de solicitud altamente competitivo. La NASA y el DLR (Agencia Espacial Alemana) seleccionaron a educadores que provenían de diversos orígenes, y sus instituciones incluían una escuela para sordos, un centro de educación alternativa (para estudiantes con discapacidades del desarrollo), poblaciones estudiantiles altamente desfavorecidas, escuelas rurales y una escuela para nativos americanos. El programa piloto AAA ha enviado a volar a más de 20 equipos. ^{[ 49 ] [ 51 ]}

La actriz de Star Trek, Nichelle Nichols, voló a bordo de SOFIA el 17 de septiembre de 2015. ^{[ 52 ]}

• Lista de los telescopios infrarrojos más grandes
• Observatorio Aerotransportado Kuiper
• Astronomía infrarroja
  • Astronomía en el infrarrojo lejano

• Centro de Ciencias SOFIA. Archivado el 16 de agosto de 2023 en Wayback Machine , USRA y DSI.
• Misión SOFIA , NASA
• Perfil de la misión SOFIA por Exploración del Sistema Solar en la NASA
• El sitio web de SOFIA de DLR fue archivado el 2 de abril de 2023 en Wayback Machine .
• Imagen astronómica del día de la NASA: El asiento junto a la ventana del SOFIA (25 de febrero de 2006)
• Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA) , Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Chicago.
• SOFIA: Observatorio Estratosférico para Astronomía Infrarroja , Moonfest 2009 por la NASA