“Is SOFIA the Van Gogh of the 21st century?” – NASA, DLR and USK*

*NASA – National Aeronautics and Space Administration (US) / DLR – Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum / USK – Ursulinenschule Köln
14. März 2021
Janina Kautz (Q2), Clara Rüdesheim (Q1) (englische Fassung)

On 29th January 2021 while we as the students of Ursuline School were still homeschooled Miss Klar drew our attention to an amazing opportunity. We were supposed to take part in an one-hour- video conference with scientists from not only the DLR, who most of us are well acquainted with through partnerships and other connections, but also from the NASA. The topic: The German-American Project SOFIA, short for Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. 
Soon, many students from grade 11 and 12 came together to participate and our first prep meeting together with Miss Klar took place on 19th February 2021. In that meeting  we got to know each other better as a group and did some research for more information on Sofia, NASA and the DLR as independent organizations and the long journey of trial and error that has led to the telescope which is used today.

And then the day came: OnMarch 05 at 17:30 CET we joined the meeting withother interested students from the United States and the scientists in California: Naseem Rangwala, SOFIA Project Scientist, Alessandra Roy, SOFIA Program Scientist, Michael Hütwohl, SOFIA Telescope Lead and DSI Team Lead ARFC and Dr. Nicole Karnath, SOFIA Instrument Scientist.

Our first speaker, Naseem Rangwala, started the video conference off with explaining what SOFIA is. An old commercial airplane was converted into a flying observatory containing an infrared telescope to explore black holes, comets, asteroids and galaxies while flying high up in the Stratosphere. A major role in those explorations are molecular activities because “without infrared we only know half the story” as they are the fundamental essence of life. 

SOFIA flies at an altitude of 45,000 feet (13716 meters) and observes the molecular activities in detail as well as the magnet fields close to us through one of the five different instrumentsthe infrared telescope contains. Astrophysically speaking, “close to us” means 1 billion light years. SOFIA is the only one of its kind in that regard. As a converted plane with a 2.5 meters mobile telescope, SOFIA cannot only be used in the Northern hemisphere but also flies to New Zealand annually to observe activities in the Southern hemisphere. 

A very interesting discovery and major scientific breakthrough was made during the lockdown in 2020: While testing SOFIA’s capacities, the NASA found water molecules on the sunlit surface of the moon. It was overwhelming because it had a huge impact “both, scientifically and talking to the public and taking their minds away during the corona lockdown”. The molecule found is “specifically unique” since the conditions in the Clavius Crater “are so harsh”. The water makes up one liter per cubic meter and makes scientists wonder how much more there is. Furthermore, SOFIA discovered the very first molecule of the universe, Helium Hybrid, with the help of a German instrument.

While the first idea for SOFIA came up in 1962, it took several years to complete the project. In 1966 Germany and the USA started collaborating with the goal to develop a bigger telescope to explore molecular activities in interstellar space. The USA contribute 80% of the total amount of work and Germany 20% according to Michael Hütwohl who is responsible for the telescope. NASA purchased an aircraft in 1997 which is about 20 meters shorter than the average passenger machines. This offers new opportunities, such as an optimized speed of 560mph at an altitude of 45,000 feet. The first flight at daytime took place in May 2010 and since 2014 SOFIA works regularly flying 130 times per year.

The aircraft contains many technological instruments. The telescope is made of a Primary Mirror with a diameter of Ø2.7 m, a Secondary Mirror, a Tertiary Mirror and an aperture with a diameter of Ø2.5 meters. The telescope collects data from a range of 23°-58° on the left side of the machine only which is why SOFIA must often fly in strange and unusual patterns. Considering the speed and altitude SOFIA flies at, it is quite a challenge with a pointing stability of 0.2 arsec. However, we were assured that opening the door for the telescope would not cause any problems at all.  The light waves are reflected by the Primary Mirror to the Secondary Mirror which mirrors them to the Tertiary Mirror. This mirror reflects them to the Focal Point from which they are transferred to the different instruments. Then they collect and process the data.

Nicole Karnath explained that every mission is based on a three step plan: Planning – Execution = Observation – Pass along final data sets. One must always consider the time needed for the achievements and goals. There are several instruments on board. Each one is unique in its own way and contributes to collection data, however important or unimportant it might be, because “all collected data is important. It might not hold much significance right now, but it might revolutionize the world in a couple of years.”. EXES, HAWC+, GREAT, FORCAST and FIFI-LS are the five instruments which allow the exploration of interstellar space. EXES for example detects molecules which answer questions to the formation of planets, e.g. our earth. HAWC+ investigates black holes and how stars are forming as well as the vacuum space between galaxies – which is indeed not as empty as one might assume: Interstellar dust and gases are very important for answering questions. FORCAST was the instrument that detected water on the moon. Different filters allow it to absorb different light ways which gives us information on stars: How many are there? How fast are they forming? And, and, and…
Moreover, there is also a crew on board: Pilots, Mission Directors, Safety Technicians, Instrument Scientists/Operators, Telescope Operators and Airbone Ambassadors. But that is not all: NASA offers about 150 teachers to fly with SOFIA every year to experience SOFIA in action. 

During the conference and at the end we had the opportunity to ask questions. We learned that SOFIA can also give further information about our problems nowadays: it can provide information regarding climate change but it is also interesting for scientists as it is for teachers and students. Added to that, SOFIA can act during catastrophes helping to solve issues by collecting data. We learned about practical aspects of SOFIA, as well, e.g. that it takes about one day to dissemble and reassemble the different instruments used for the telescope. Many calculations made opening the door during the flight possible.

All in all, the talk was more than just exciting. All students followed the captivating conversation and listened to the speakers’ talks. The students also showed their interests in the dialogues and the exchange of succeeding questions.

“All science is good science. SOFIA is making huge strides in many areas of astronomy and we’re proud of all of them.” – Margaret McAdam, Associate Project Scientist for SOFIA

If you want to learn more about SOFIA you can do so by having a look at NASA’s official website for it:

Eindrücke aus dem online-Meeting

"Is SOFIA the Van Gogh of the 21st century?” – die NASA, das DLR und die USK*

*NASA – National Aeronautics and Space Administration (US) / DLR – Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum / USK – Ursulinenschule Köln
14. März 2021
Miriam Staratschek (Q2) (deutsche Fassung)

Am 29.01.2021, während wir Schüler:innen des Ursulinengymnasiums uns noch im Lockdown und Homeschooling befanden, machte uns Frau Klar auf ein tolles Angebot aufmerksam. Sie gab uns die Möglichkeit, in einer einstündigen Videokonferenz mit Wissenschaftler:innen der NASA und des DLRs in Kontakt zu treten, um etwas über ihr deutsch-amerikanisches Projekt zu erfahren: das Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA). Schon bald traf sich eine Gruppe von 31 Schüler:innen der beiden Qualifikationsphasen zusammen und wir bereiteten uns gemeinsam mit Frau Klar am 19.02.2021 auf das Gespräch vor. Dabei lernten wir uns nicht nur untereinander besser kennen und tauschten uns über unsere Interessen aus, sondern erhielten auch weitere spannende Informationen über SOFIA, die NASA und das DLR und den weiten Weg zu dem Teleskop, das heute genutzt wird.

Und dann war es soweit: am 05.03.2021 um 17:30 Uhr MEZ trafen wir uns gemeinsam mit Interessenten aus den USA und den Wissenschaftler:innen vor Ort in Kalifornien digital, um mehr über SOFIA und die Arbeit bei den beiden Instituten zu lernen. Die Redner:innen waren Naseem Rangwala, SOFIA Project Scientist, Alessandra Roy, SOFIA Program Scientist, Michael Hütwohl, SOFIA Telescope Lead and DSI Team Lead ARFC und Dr. Nicole Karnath, SOFIA Instrument Scientist.

Naseem Rangwala erklärte uns, was SOFIA ist. Das ehemalige Flugzeug wurde umgebaut zu einer Maschine mit einem Infrarotteleskop, das in der Stratosphäre unter anderem schwarze Löcher, Kometen, Asteroiden und Galaxien beobachtet. Dabei spielen molekulare Aktivitäten eine besondere Rolle, da sie die fundamentale Basis des Lebens sind: "Without infrared we only know half the story“ („Ohne Infrarot kennen wir nur die halbe Geschichte“). SOFIA fliegt bei einer Höhe von bis zu 45.000 Fuß (13.716 Metern) und observiert sehr detailliert über das Infrarotteleskop die molekularen Aktivitäten und Magnetfelder in unserer Nähe – und mit Nähe meinen Astrophysiker:innen einen Radius von einer Milliarde Lichtjahren. Dabei ist SOFIA weltweit die einzige Maschine ihrer Art. Sie ist ein umgebautes Flugzeug mit einem 2,5 Meter großen, mobilen Teleskop; das bedeutet, SOFIA wird nicht nur in unserer Hemisphäre eingesetzt, sondern jährlich nach Neuseeland fliegt, um Aktivitäten in der südlichen Hemisphäre zu beobachten.

Eine besonders spannende Entdeckung machte SOFIA vergangenes Jahr während des Lockdowns. Im Zuge eines Testes beobachtete SOFIA unseren Mond und fand Wassermoleküle auf der sonnenbeschienenen Seite. Es sei besonders ergreifend gewesen, erklärte Rangwala, da man die Menschen während der Pandemie auf andere Gedanken bringen konnte. Dabei handelt es sich um rund 1 Liter in 1 m³ in Molekülen und es bleibt die Frage, wie viel mehr noch dort ist. SOFIA entdeckte außerdem das erste Molekül des Universums, Helium Hybrid, mithilfe eines deutschen Instruments. 

Die erste Idee zu SOFIA entstand im Jahre 1962, doch dauerte es, bis das fertige Projekt stand. Im Jahre 1966 begannen Deutschland und die USA, zusammen an dem Projekt zu arbeiten, mit dem Ziel, ein größeres Teleskop zu entwickeln, um die Molekularaktivitäten des interstellaren Raums optimal untersuchen zu können. Entscheidend war dafür auch der deutsche Beitrag zu dem Projekt. Die USA tragen 80% und Deutschland 20% zu dem Projekt bei, erklärte uns Michael Hütwohl, der für das Teleskop verantwortlich ist. Die NASA erwarb 1997 ein Flugzeug, welches rund 20 Meter kürzer als ein normales ist. Das bietet weitere Möglichkeiten, vor allem im Tempo und in der Höhe: SOFIA fliegt bei einer Geschwindigkeit von 560mph (901km/h) auf einer Höhe von bis zu 45.000 Fuß. Der erste Lichtflug fand im Mai 2010 statt und seit 2014 ist SOFIA vollständig einsatzfähig. Seitdem fliegt die 747sp Maschine rund 130 Flüge im Jahr. 

An Bord befindet sich vor allem viel Technik. Das Teleskop der SOFIA beinhaltet einen Primary Mirror mit einem Durchmesser von Ø2,7 Metern, einen Secondary Mirror, einen Tertiary Mirror und eine Öffnung mit einem Durchmesser von Ø2,5 Metern. Es erfasst Daten in einem Feld von 23°-58° von der linken Seite der Maschine aus; daher muss SOFIA oft verzweigte Wege fliegen, um ihre Ziele „im Auge behalten zu können“. Das ist bei einer Geschwindigkeit von 560mph, bei einer Höhe von 45.000 Fuß und einer Stabilität von 0,2 arsec nicht immer so einfach. Dennoch wurde uns versichert, dass man trotz der geöffneten Tür nichts spüren würde. Die Lichtwellen werden vom Primary Mirror zum Secondary Mirror reflektiert, welcher sie wiederum zum Tertiary Mirror spiegelt. Dieser reflektiert die Lichtwellen zum Focal Point, von welchem aus die Daten von unterschiedlichen technischen Geräten verarbeitet werden.

Nicole Karnath erklärte uns, dass die einzelnen Missionen der SOFIA im Grunde einem dreistufigen Plan zugrunde liegen: Planning – Execution = Observation - Pass along final data sets. Besonders wichtig ist es, zu wissen, wie viel Zeit man für sein Ziel braucht, sagte sie. An Bord der SOFIA befinden sich für die Missionen jeweils verschiedene technische Geräte. EXES, HAWC+, GREAT, FORCAST und FIFI-LS. Diese ermöglichen die Untersuchung des interstellaren Raums. EXES z.B. erfasst Moleküle, welche die Frage, wie unsere Erde und andere Planeten entstanden, beantworten können. HAWC+ hingegen betrachtet, wie schwarze Löcher funktionieren, wie sich Sterne bilden, aber auch den Raum zwischen Sternen und Galaxien, insbesondere die Gase und den Staub, der, anders als man vielleicht denken mag, wichtig für die Antworten auf viele Fragen ist. FORCAST war das Instrument, das Wasser auf dem Mond entdeckte. Durch unterschiedliche Filter kann es verschiedene Lichtwellen empfangen und untersuchen, was uns auch Informationen über Sterne gibt: Wie viele gibt es? Wie schnell entstehen sie? Und, und, und… Außerdem befindet sich an Bord der SOFIA noch eine Crew bestehend aus den Piloten, dem Mission Director, den Safety Technicians, den Instrument Scientists/Operators, den Telescope Operators, den Airbone Ambassadors, aber auch Lehrer:innen und Gäste können an den Missionen teilnehmen – denn die NASA bietet jährlich rund 150 Lehrer:innen an, mit der SOFIA zu fliegen.

Zwischendurch und zum Ende der Besprechung hin blieb uns Schüler:innen Zeit, den Moderator:innen Fragen zu stellen. Dabei erfuhren wir, dass SOFIA auch Fragen, die unser heutiges Leben betreffen, beantworten kann. So können ihre Ergebnisse z.B. Informationen über den Klimawandel geben, haben aber auch eine besondere Bedeutung für Schulen und Universitäten, gerade für kommende Generationen. Außerdem kann SOFIA in Katastrophenfällen wichtige Daten sammeln. Zudem lernten wir noch einiges über praktische Aspekte der Maschine, z.B., dass es rund einen Tag dauert, die einzelnen Instrumente ab- und wieder aufzubauen oder auch, wie es möglich gemacht wurde, während eines Fluges eine Tür für das Teleskop zu öffnen: Viele Berechnungen und Simulationen am Computer und in Windkanälen, um Komplikationen zu vermeiden, wurden dafür durchgeführt.

Alles in allem hat sich dieses Gespräch mehr als gelohnt. Alle Schüler:innen folgten gespannt und interessiert den Vorträgen der Redner:innen und zeigten ihre Begeisterung im direkten Fragenaustausch und Dialog. 

"All science is good science. SOFIA is making huge strides in many areas of astronomy and we’re proud of all of them.” – Margaret McAdam, Associate Project Scientist for SOFIA

Wer mehr über SOFIA erfahren möchte, kann dies gerne tun: