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      下一代大型望遠鏡的“家”在哪兒?可能在青藏高原!

      發布時間:2021-09-06 05:46 作者:長沙助孕小編 來源:未知 點擊:17979 字號:

        給下一代大型望遠鏡找個“家”

        鄧李才 王昱

        近年來,我國射電天文快速發展,位于貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠鏡FAST是世界上最大的球面射電望遠鏡。除了射電望遠鏡,光學紅外望遠鏡也是天文觀測的利器。

        早在2016年,12米光學紅外望遠鏡(LOT)就成為“十三五”時期我國優先布局的10個重大科技基礎設施建設項目之一。然而,選擇放置這臺望遠鏡的臺址仍然是個懸而未決的問題。

        《自然》雜志日前發表論文,介紹了我國科學家在青海冷湖地區發現國際一流光學天文臺址,論證了青藏高原可能是建造下一代大型望遠鏡的合適選址。今天,我們就一起聊聊天文臺選址的故事。

        東半球建頂級望遠鏡意義重大

        在遠古時期,我們的祖先憑一雙肉眼就開始了對滿天繁星的探索和想象。400多年前,望遠鏡的發明真正超越了人眼,可以想象,當伽利略第一次看到木星的樣子和圍繞木星的四顆大衛星時該多么激動。這應該是人類歷史上正式記錄的第一次透過望遠鏡的天文觀測!

        因為自然的原因,我們現在理解的光學波段的天文觀測,一直主導了學科的發展。原因特別簡單:

        人類賴以生存的大氣正好屏蔽了對地球生命有害的紫外光和大部分比光學波段更長的紅外光,大氣在波長更長的電磁輻射中又變得透明,使得我們可以與人造衛星通訊。而宇宙中可以被看到的天體(恒星或由恒星組成的更大尺度的天體)發出的能量大部分就在光學波段。盡管我們現在知道的宇宙,絕大部分都不是我們可以看到的未知物質(暗物質或暗能量),但我們看到的這一小部分天體充當了示蹤物,是天文觀測獲取信息的最主要來源。從這個意義上講,光學(包括紫外光和紅外光)天文觀測在現代天體物理研究中是不可或缺的重要手段。

        為圖發展,我國的天文臺都在選擇新的地址建設觀測設備。比如云南天文臺在青藏高原東沿的橫斷山選址,從1992年到1998年,歷時6年監測、評估之后,終于在麗江高美古建成了目前中國最大口徑的通用型望遠鏡(2.4米)。二十多年來,中國的光學天文觀測就依賴興隆基地2.16米和高美古2.4米這兩臺通用型望遠鏡,還有建于興隆基地的郭守敬望遠鏡(LAMOST)負責銀河系巡天,為我國在當今的光學天文領域爭得了一席之地。

        對光學望遠鏡而言,口徑是一個非常重要的參數。目前我國光學最大的通用光學望遠鏡口徑為2.4米,郭守敬望遠鏡(LAMOST)口徑雖然達到了4—6米級,但LAMOST是光譜巡天望遠鏡,難以進行成像觀測。而歐美和日本10米級別的望遠鏡已經進入天文研究二十多年,目前還有三臺口徑達30米以上的巨型望遠鏡正在建設之中。2020年諾貝爾物理學獎直接來自10米的美國凱克望遠鏡和歐洲甚大望遠鏡(8米的4臺)對銀河系中心黑洞的長期觀測。我們今天的光學望遠鏡滯后了太多。從更大一些的視野來看,目前世界上頂級的光學望遠鏡都位于西半球,從這個角度上說,在東半球建設頂級望遠鏡也具有重要意義。如果天文學家需要觀測那些轉瞬即逝的目標,那么望遠鏡就必須盡量均勻地分布在全球各地。否則,在重要天體物理事件發生時,就有可能無從觀測。

        2016年,我國光學天文的發展迎來了一個重大機遇:12米光學紅外望遠鏡(LOT)成為“十三五”時期優先布局的10個重大科技基礎設施建設項目之一。國家有了資助天文學科發展國際水平設施的實力,天文家們倍感振奮之余,卻發現似乎并沒有準備充分,其中的關鍵問題之一就是在哪兒放置這臺望遠鏡。

        光學天文望遠鏡選址為何如此重要

        要講述天文臺選址的故事,一個首先要回答的問題是:在當今太空技術相當發達的時代,為什么還要在地面建設觀測設備?

        答案也很直接:由于技術的限制,我們不可能把超大型的設備送入太空,而大型設備和與之匹配的儀器在現代和未來天文學、物理學領域中探索極致問題時是不可或缺的。

        第二個問題是,為什么對大型望遠鏡設施的臺址那么挑剔?

        地基天文觀測都是透過地球大氣進行觀測,地球大氣中的物質成分對來自天體的信號會產生吸收,臺址上空的大氣越薄,吸收就越少,因此我們需要去海拔盡可能高的地方選址。選址還需要遠離人造光源,因為大氣中各種因素產生的散射會嚴重影響天文觀測。當然,同時還要夜空晴朗,否則我們根本看不見星空。除此之外,地球的大氣是不穩定的,沿望遠鏡視線方向的無規律大氣湍流會扭曲來自天體的光線,這就是所謂的視寧度。對于現代和未來的大型設備而言,視寧度非常重要。

        經典的天文臺,比如聞名世界的英國格林尼治天文臺、伽利略工作過的意大利帕多瓦天文臺,都建在城市里或近郊。這些古老天文臺定址都是由科學之外的因素主導,在他們建設的時代望遠鏡口徑很小,觀測也主要以目視為主,而且那時城市幾乎沒有光污染?,F在看來,這些天文臺都成了歷史遺跡和地標文物。

        近代的天文臺逐漸開始重視選址。但凡專業的天文臺,其建設過程的第一步就是嚴格選址。天文臺選址是一系列因素的綜合考量,除了臺址本身的參數外,還包括天文望遠鏡的科學目標、資金預算、技術和運維支撐等等。對天文臺參數的要求也是隨著技術的發展逐步提高,有時甚至是苛刻的,比如正在建設的超大型光學望遠鏡(美國牽頭的30米TMT和歐洲合建的39米E-ELT)臺址的選擇。

        隨著城市現代化程度的提升和人口的增長,特別是望遠鏡口徑的擴大、探測設備靈敏度的提高和對科學目標的重視,城市燈光對天文觀測的影響變得不可接受。紫金山天文臺、云南天文臺、興隆觀測基地等都因為城市的亮化受到了不同程度的影響。

        我們先來看看世界上最好的天文臺都是什么情況。南極的冰蓋之上,具有世界上最穩定、透明的大氣,這是逼近亞空間的觀測條件。當然,選址以及后期的建設和運行成本也是直逼空間設施,這是不利因素。除此之外,世界上頂尖質量的臺址非常有限,比如夏威夷大島上的Mauna Kea天文臺和智利北部阿塔卡瑪沙漠地區的天文臺,還有相對次一等的西班牙加那利群島上的天文臺。

        先不談臺址的觀測條件參數,這些頂級的天文臺從地貌上看就跟經典的天文臺大不一樣。這些天文臺無一例外都是處于鮮有植被的干旱地區,看起來都是荒漠和裸巖。最佳的天文臺址一定是寸草不生的,因為干燥無雨、大氣稀薄等望遠鏡所需要的環境特征,明顯與植物的生存條件相悖;另一方面,植物蒸騰效應帶來的水汽又會影響天文觀測質量。

        所以,我國現代天文臺選址的基本方向,就是走向高原、走向人跡罕至的地域。

        青藏高原擁有無可比擬的地基天文觀測優勢

        對于規劃中的12米光學紅外望遠鏡(LOT)的選址,我們的選擇當然不可能是已經建設成熟的現有臺址,因為即便是當前觀測條件最好的高美古,也無法充分發揮這臺望遠鏡的科學能力。實際上,我國天文界未雨綢繆,針對將來可能的大口徑望遠鏡的選址工作早在2000年就已經展開,目標就是青藏高原!

        最初的選址工作異常困難,這可能是所有現代天文臺選址必須面對的。2009年國家天文臺加入了國際恒星觀測網絡(SONG)并建設一個節點。由于經費的限制和項目對臺址相對較低的科學要求,我們選址了具有良好支撐條件的紫金山天文臺青海觀測站(位于德令哈市)。由于該站是一個射電天文基地,其光學參數不甚明晰,項目組花了5年的時間對青海站的光學觀測條件進行了認證,確認那里可以滿足SONG的科學目標要求。

        始料未及的是,德令哈在10年后進入了發展的快車道。到2017年,德令哈方向的背景亮度增加近1000倍,城市亮化到了直接影響SONG觀測的程度。

        在機緣巧合下,我們選址團隊受到青海省海西州冷湖地區政府的邀請,前往青海冷湖鎮尋找天文臺址,這是天文學家首次以選址的目的來到冷湖。

        冷湖鎮在上世紀六七十年代時,曾因石油開采一度增長到10萬人口,但隨著石油資源逐漸枯竭,冷湖再度回到幾乎無人的狀態。

        地基天文觀測受到大氣厚度影響,海拔越高,大氣越薄,受到的影響就越小。自然,世界屋脊青藏高原在這方面有著無可比擬的優勢,但冷湖之前并沒有落入天文臺址的候選范圍——因為它比鄰塔克拉瑪干沙漠,加上本地的風蝕地貌,前人擔心風沙會對望遠鏡的運行造成影響。

        不過,物理規律告訴我們,沙塵濃度應該隨著高度而呈指數衰減,只要有相對隆起、足夠陡、足夠高的山地,沙塵對臺址就應該不是問題。2017年10月,選址團隊委托當地政府選出了幾個冷湖鎮附近的山峰,他們確認鎮東部的賽什騰山滿足條件。

        在選址團隊到來之前,賽什騰山還是一座處女峰——未被人攀登過。在2019年7月山路貫通之前,選址團隊想上山頂,通常只能靠雙腿攀登。后來為了進一步考察,選址團隊使用了海西州政府的直升機在山頂搭建觀測平臺,設置科學儀器。

        僅憑肉眼的直覺是遠遠無法作為選址依據的,選址團隊在山頂架設的一批科學儀器可以檢測氣象、晴夜占比、天文大氣總視寧度、天光背景,以及人們此前最擔心的風沙(多種參數,以空氣質量指數PM10為代表)等數據。同時,選址團隊用氣象數據擬合了可靠的可沉降水汽指標等數據,還專門建設了一個網站實時公開這些數據。公開選址數據是為了工作的可信度。

        自2018年3月以來,這些儀器幾乎一刻不停地收集著各項數據。最終,選址團隊將這些數據整理成論文,發表在最新一期《自然》雜志上。

        冷湖臺址區域的優質晴夜時間(天文上的測光夜)占比達70%,外加大約15%的部分有云的光譜觀時間,每年天文觀測可用的時間達300天。冷湖地區屬極度干旱地區。有研究顯示,在過去60年中,冷湖的年均降水量為12毫米,但蒸發量卻高達3000毫米以上。

        我們的分析印證了歷史資料的統計結論,這里夜間可沉降水汽柱密度在2毫米以下的時間占比優于美國的Mauna Kea天文臺(54%),遠低于智利和其他地區的大型光學天文臺。根據賽什騰山C區的實際測量,夜間臺址點氣溫起伏(峰谷差)中位值僅為2.5℃,這意味著地面層的大氣非常穩定。該區域的風以西北方向為主導,風速的中位值小于每秒5米。

        對天文觀測而言,光學視寧度無疑是最受關注的臺址參數。光學視寧度的積分量,即總視寧度一般用DIMM獲得。在剔除熱點和天氣影響后,截至2020年12月31日的DIMM視寧度中位值為0.75角秒,與世界其他頂級天文臺相比,基本持平。

        數據顯示,4200米的賽什騰山C區空氣質量優秀,而有限的幾次弱沙塵過程很容易防護,對天文觀測和設備沒有實質性影響。

        冷湖地區天文觀測臺址的發現打破了長期制約我國光學天文觀測發展的瓶頸,不僅為我國光學天文發展創造了重大機遇,而且冷湖所在的地理經度區域內,尚屬世界大型光學望遠鏡的空白區,因此也是國際光學天文發展的寶貴資源。

        隨著更多基礎設施的建設和進一步測試的開展,相信今后冷湖將成為國際光學天文研究的重要基地,成為人類探索宇宙奧秘、培育原創性科學成果的重要策源地。

        (作者鄧李才為論文主要作者、中國科學院國家天文臺研究員,王昱為《環球科學》記者)

      【編輯:房家梁】

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