Die SOFIA Wissenschaftsinstrumente

Das SOFIA-Observatorium verfügte über eine Vielzahl von Wissenschaftsinstrumenten (SI - Science Instrument), die typischerweise im Wechsel für jeweils zwei bis drei Wochen am Instrumentenflansch des Teleskops installiert waren. Damit ließen sich spektroskopische, photometrische und polarimetrische Messungen durchführen. Die wissenschaftlichen Beobachtungen bestimmten, welches der Instrumente zum Einsazu kommen musste. Die Aufgabe der Flugplaner war es, verschiedene Beobachtugen mit dem selben Instrument zur richtigen Jahreszeit zu kombinieren und daraus Flugpläne und Flugroutenn zu entwickeln. Denn nicht jedes astronomische Objekt ist das ganz Jahr über sichtbar, manche sind ausschließlich von der Nord- oder der Südhalbkugel der Erde zu sehen.

Eine Sonderstellung bei den Instrumenten nimmt dabei die Nachführkamera FPI+ (Focal Plane Imager) ein, die die Teleskopoptik nutzte und bei der Observation von Sternbedeckungen Photometrie in hoher zeitlicher Auflösung durchführen konnte. Darüber hinaus war sie bei allen Beobachtungen als Teleskopleitkamera im Einsatz.
Zudem verfügte das Teleskop über zwei weitere Kameras, den Wide Field Imager (WFI, Brennweite 136 mm, Gesichtsfeld 6 x 6 Grad) und den Fine Field Imager (FFI, Brennweite 733 mm, Gesichtsfeld 67 x 67 arcmin). Diese waren am Frontring des Teleskops angebracht und dienten vornehmlich zur Orientierung am Himmel und zur Erkennung von Sternmustern durch die Bediener des Teleskops (Teleskop Operator). WFI und FFI  werden nicht den Wissenschaftsinstrumenten zugerechnet.

Die wichtigsten Wissenschaftsinstrumente von SOFIA, deren Daten auch im Rahmen des SDC-Projektes bearbeitet werden, waren (in alphabetischer Reihenfolge):

Hochauflösender Echelon/Echelle Spektrograph für mittleres Infrarot (4,5 – 28,3 mm) und hoher spektraler Auflösung bis R~10⁵.

Bildgebendes Gitterspektrometer mit zwei Kanälen im ferninfraroten Wellenlängenbereich (51-120 mm, 115-200 mm) und mittlerer Auflösung von R~600-2.000).

Zweikanalige Kamera im mittleren Infrarotbereich (5-40 mm), die auch mit Hilfe von vier Grisms (eine Kombination aus Prisma und Beugungsgitter) Spektroskopie mit niedriger Auflösung (R~200) ermöglichte.

Leitkamera des Teleskops, photometrisches Wissenschaftsinstrument, vor allem bei Sternbedeckungen und Analyseinstrument zur Leistungsüberwachung des Observatoriums.

Heterodynempfänger, der in zwei unterschiedlichen Konfigurationen extrem hochaufgelöste Spektroskopie (R~10⁸) in verschiedenen Frequenzbändern des ferninfraroten Spektrums ermöglichte. Die Datenreduktions-Pipeline für das Instrument GREAT liegt vollständig in der Verantwortung der Universität zu Köln und wird ausschließlich dort bearbeitet. Insbesondere ist sie nicht Bestandteil der Redux-Pipeline.

Zweikanalige Ferninfrarotkamera mit Breitbandfiltern, die im Wellenlängenbereich zwischen 50 und 240 mm empfindlich sind und auch Polarisation messen können. Damit war es möglich, Magnetfelder im Weltraum zu messen und sichtbar zu machen.

Mit dem Instrument HIPO (High-Speed Imaging Photometer for Occultations) wurden in der Anfangsphase des Projektes einige Beobachtungen durchgeführt. Darüber hinaus war HIPO in der Entwicklungsphase von SOFIA ein wichtiges Testinstrument und das einzige der SOFIA-Instrumente, das den FAA-Lufttauglichkeitsprozess erfolgreich durchlief (später übernahm die NASA selbst diese Zertifizierung). Es wurde mehrfach für die Beobachtung von Okkultationen eingesetzt, zuletzt 2017 bei der Bedeckung durch den Neptunsatelliten Triton.

Das Instrument FLITECAM (First Light Infrared Test Experiment Camera) wurde, wie der Name schon sagt, als Nahinfrarotkamera zu Testzwecken während der Inbetriebnahme des Observatoriums konzipiert. Darüber hinaus hatte das Instrument auch ein spektroskopischen Betriebsmodus im Nahinfraroten, was es zu einem vollwertigen Wissenschaftsinstrument von SOFIA machte (Facility Class SI). Eine Besonderheit war, dass FLITECAM gemeinsam mit HIPO auf SOFIA montiert und betrieben werden konnte. Dazu wurde ein dichroitischer Strahlenteiler vor beide Instrumente montiert. Die so entstandene Kombination wurde FLIPO genannt und kam während der Inbetriebnahme und anschließend auch bei regulären Missionen zum Einsatz, besonders bei Sternbedeckungen.

Aufgrund der 2016 gefällten Entscheidung, SOFIA auf FIR-Beobachtung zu konzentrieren, war die Tritonbedeckung der letzte Einsatz von HIPO und FLITECAM. Die Anzahl der durchgeführten Beobachtungen und die daraus resultierende Datenmenge ist insgesamt gering. Daher werden diese Instrumente nicht im Rahmen der Arbeiten des SDC berücksichtigt. Die vorhandenen Daten sind aber uneingeschränkt von IRSA abrufbar.

Die nachfolgende Grafik zeigt die Wellenlängenbereiche und spektrale Auflösung der verschiedenen SOFIA-Instrumente in einer Übersicht. Jedes der Instrumente war für Beantwortung bestimmter wissenschaftlicher Fragestellungen konzipiert und optimiert.