天文臺選址

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近年來，我國射電天文快速發(fā)展，一批先進(jìn)的觀測設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，包括射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡。早在2016年，12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LOT）就成為“十三五”時(shí)期我國優(yōu)先布局的10個(gè)重大科技基建項(xiàng)目之一。然而，這臺望遠(yuǎn)鏡的選址仍是個(gè)懸而未決的問題。

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

為發(fā)展，我國擇新址立設(shè)備

在遠(yuǎn)古時(shí)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(yuǎn)鏡的發(fā)明真正超越了人眼，可以想象，當(dāng)伽利略第一次看到木星和圍繞木星的4顆大衛(wèi)星時(shí)該有多么激動。這也是人類歷史上正式記錄的第一次透過望遠(yuǎn)鏡的天文觀測?，F(xiàn)如今，光學(xué)天文觀測更是現(xiàn)代天體物理研究中不可或缺的重要手段。

為圖發(fā)展，我國的天文臺都在選擇新的地址建設(shè)觀測設(shè)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(shí)6年監(jiān)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(yuǎn)鏡（2.4米）。20多年來，中國的光學(xué)天文觀測一直依賴興隆基地2.16米和高美古2.4米這兩臺通用型望遠(yuǎn)鏡，還有建于興隆基地的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）負(fù)責(zé)銀河系巡天，為我國在當(dāng)今的光學(xué)天文領(lǐng)域爭得了一席之地。

對光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言，口徑是一個(gè)非常重要的參數(shù)。目前我國最大的通用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑為2.4米，郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）口徑雖然達(dá)到了4～6米級，但難以進(jìn)行成像觀測。而歐美和日本10米級別的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)進(jìn)入天文研究20多年，目前還有3臺口徑30米以上的巨型望遠(yuǎn)鏡正在建設(shè)之中，2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)更是直接來自10米的美國凱克望遠(yuǎn)鏡和歐洲甚大望遠(yuǎn)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(xué)望遠(yuǎn)鏡滯后了太多。放眼更長遠(yuǎn)處，目前世界上頂級的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡都位于西半球，因此，在東半球建設(shè)頂級望遠(yuǎn)鏡也具有重要意義。如果天文學(xué)家需要觀測那些轉(zhuǎn)瞬即逝的目標(biāo)，那么望遠(yuǎn)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(fā)生時(shí)，我們將無所適從。

2016年，我國光學(xué)天文的發(fā)展迎來了一個(gè)重大機(jī)遇：12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LOT）成為“十三五”時(shí)期優(yōu)先布局的10個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。國家有了資助天文學(xué)科發(fā)展國際水平設(shè)施的實(shí)力，天文家們倍感振奮之余，卻發(fā)現(xiàn)似乎并沒有準(zhǔn)備充分，關(guān)鍵問題之一就是在哪兒放置這臺望遠(yuǎn)鏡。

應(yīng)變化，選址逐漸挑剔

要講述天文臺選址的故事，一個(gè)首先要回答的問題是：在當(dāng)今太空技術(shù)相當(dāng)發(fā)達(dá)的時(shí)代，為什么還要在地面建設(shè)觀測設(shè)備？

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

第二個(gè)問題是，為什么對大型望遠(yuǎn)鏡設(shè)施的臺址那么挑剔？

地基天文觀測都是透過地球大氣進(jìn)行觀測，地球大氣中的物質(zhì)成分對來自天體的信號會產(chǎn)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(yuǎn)離人造光源，因?yàn)榇髿庵懈鞣N因素產(chǎn)生的散射會嚴(yán)重影響天文觀測。當(dāng)然，同時(shí)還需要夜空晴朗，否則我們根本看不見星空。除此之外，地球的大氣是不穩(wěn)定的，沿望遠(yuǎn)鏡視線方向的無規(guī)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(xiàn)代和未來的大型設(shè)備而言，視寧度非常重要。

經(jīng)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，都建在城市或近郊。這些古老天文臺定址都由科學(xué)之外的因素主導(dǎo)，當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡口徑很小，觀測也以目視為主，而且當(dāng)時(shí)的城市幾乎沒有光污染。現(xiàn)在看來，這些天文臺都成了歷史遺跡和地標(biāo)文物。

近代的天文臺逐漸開始重視選址。選址是一系列因素的綜合考量，除了臺址本身的參數(shù)外，還包括天文望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)、資金預(yù)算、技術(shù)和運(yùn)維支撐等等。對天文臺參數(shù)的要求也隨著技術(shù)的發(fā)展逐步提高，有時(shí)甚至是苛刻的。

隨著城市現(xiàn)代化程度的提升和人口的增長，特別是望遠(yuǎn)鏡口徑的擴(kuò)大、探測設(shè)備靈敏度的提高和對科學(xué)目標(biāo)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?yàn)槌鞘械牧粱艿搅瞬煌潭鹊挠绊憽?/p>

世界上最好的天文臺都是什么情況？其實(shí)，頂尖質(zhì)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(qū)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。這些天文臺從地貌上看就跟經(jīng)典天文臺大不一樣。它們無一例外都處于鮮有植被的干旱地區(qū)，周圍看起來全是荒漠和裸巖。最佳的天文臺址一定是寸草不生的，因?yàn)楦稍餆o雨、大氣稀薄等望遠(yuǎn)鏡所需要的環(huán)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(yīng)帶來的水汽又會影響天文觀測質(zhì)量。

所以，我國現(xiàn)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。

層層考察，青藏高原成目標(biāo)

對于規(guī)劃中的12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LOT）的選址，我們的選擇當(dāng)然不可能是已經(jīng)建設(shè)成熟的現(xiàn)有臺址。因?yàn)榧幢闶钱?dāng)前觀測條件最好的高美古，也無法充分發(fā)揮這臺望遠(yuǎn)鏡的全部威力。實(shí)際上，天文界未雨綢繆，針對未來大口徑望遠(yuǎn)鏡的選址工作早在2000年就已經(jīng)展開，目標(biāo)就是青藏高原！

最初的選址工作異常困難。2009年國家天文臺加入了國際恒星觀測網(wǎng)絡(luò)（SONG）并建設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于經(jīng)費(fèi)的限制和項(xiàng)目對臺址相對較低的科學(xué)要求，項(xiàng)目組選址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(gè)射電天文基地，其光學(xué)參數(shù)不甚明晰，項(xiàng)目組花了5年的時(shí)間對青海站的光學(xué)觀測條件進(jìn)行認(rèn)證，確認(rèn)那里可以滿足SONG的科學(xué)目標(biāo)要求。

始料未及的是，德令哈在10年后進(jìn)入了發(fā)展快車道。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(jī)緣巧合下，選址團(tuán)隊(duì)受到青海省海西州冷湖地區(qū)政府的邀請，前往冷湖鎮(zhèn)。冷湖鎮(zhèn)在上世紀(jì)六七十年代時(shí)，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(tài)。

最佳的天文臺址一定是寸草不生的，因?yàn)楦稍餆o雨、大氣稀薄等望遠(yuǎn)鏡所需要的環(huán)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(yīng)帶來的水汽又會影響天文觀測質(zhì)量。

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(yōu)勢，但冷湖之前并沒有落入臺址的候選范圍——因?yàn)樗揉徦死敻缮衬?，加上本地的風(fēng)蝕地貌，前人擔(dān)心風(fēng)沙會對望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行造成影響。

不過，物理規(guī)律告訴我們，沙塵濃度應(yīng)該隨著高度而呈指數(shù)衰減，只要有相對隆起、足夠陡、足夠高的山地，沙塵就應(yīng)該不是問題。2017年10月，選址團(tuán)隊(duì)確認(rèn)鎮(zhèn)東部的賽什騰山滿足條件。

冷湖臺址區(qū)域的優(yōu)質(zhì)晴夜時(shí)間（天文上的測光夜）占比達(dá)70%，外加大約15%的部分有云的光譜觀時(shí)間，每年天文觀測可用的時(shí)間達(dá)300天。冷湖地區(qū)屬極度干旱地區(qū)。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(fā)量卻高達(dá)3000毫米以上。

選址團(tuán)隊(duì)的分析印證了歷史資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)論，這里夜間可沉降水汽柱密度在2毫米以下的時(shí)間占比優(yōu)于美國的Mauna Kea天文臺（54%），遠(yuǎn)低于智利和其他地區(qū)的大型光學(xué)天文臺。根據(jù)賽什騰山C區(qū)的實(shí)際測量，夜間臺址點(diǎn)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(wěn)定。該區(qū)域的風(fēng)以西北方向?yàn)橹鲗?dǎo)，風(fēng)速的中位值小于每秒5米。光學(xué)視寧度也與世界其他頂級天文臺基本持平。4200米的賽什騰山C區(qū)空氣質(zhì)量優(yōu)秀，而有限的幾次弱沙塵過程很容易防護(hù)，對天文觀測和設(shè)備沒有實(shí)質(zhì)性影響。

冷湖地區(qū)天文觀測臺址的發(fā)現(xiàn)打破了長期制約我國光學(xué)天文觀測發(fā)展的瓶頸，為我國光學(xué)天文發(fā)展創(chuàng)造了重大機(jī)遇;而且冷湖所在的地理經(jīng)度區(qū)域，尚屬世界大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的空白區(qū)，因此也是國際光學(xué)天文發(fā)展的寶貴資源。

◎ 來源|北京日報(bào)