中國(guó)“巨眼”在冷湖

劉博洋

中國(guó)最美星空在哪里？對(duì)普通人而言，答案可能五花八門;但對(duì)天文學(xué)家而言，“標(biāo)準(zhǔn)答案”已躍然紙上。

2021年8月18日，《自然》雜志刊登中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)鄧?yán)畈叛芯繂T團(tuán)隊(duì)的論文，這篇雄文以大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有力地指出：中國(guó)最好的光學(xué)天文臺(tái)址，位于青海西北部的冷湖鎮(zhèn)海拔4500米的賽什騰山之巔。

天文學(xué)家之痛

位于貴州平塘縣克度鎮(zhèn)的“500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”（簡(jiǎn)稱FAST）。無線電頻段 口徑：500 米

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站的郭守敬望遠(yuǎn)鏡?？梢姽忸l段 口徑：6 米

提起中國(guó)天文學(xué)，國(guó)人已能條件反射般說出位于貴州平塘的“中國(guó)天眼”。然而，這架500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，僅能代表當(dāng)代天文學(xué)寬廣光譜中的射電波段上中國(guó)取得的突破性成就。而在更“經(jīng)典”的可見光波段上發(fā)展的“光學(xué)天文”，中國(guó)天文學(xué)家則長(zhǎng)期苦于缺乏世界頂級(jí)大口徑望遠(yuǎn)鏡可用，實(shí)在是“巧婦難為無米之炊”。

當(dāng)前中國(guó)口徑最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”，位于北京東北方不遠(yuǎn)處、燕山山脈之上的國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地。它是一臺(tái)口徑6米級(jí)的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，以能夠同時(shí)獲取大量天體光譜的能力著稱。

同在興隆觀測(cè)基地的，還有曾長(zhǎng)期領(lǐng)有“中國(guó)最大口徑通用型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡”桂冠的2.16 米口徑望遠(yuǎn)鏡。這里的“通用”，指的是天文學(xué)家可以根據(jù)自己的科學(xué)需求，在獲得批準(zhǔn)的時(shí)間段，專門觀測(cè)自己感興趣的特定天體;而非像“巡天望遠(yuǎn)鏡”那樣，主要由望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行單位制定巡天計(jì)劃，統(tǒng)一安排觀測(cè)目標(biāo)。

除了2.16米望遠(yuǎn)鏡，中國(guó)在2米以上的通用型望遠(yuǎn)鏡就只有2008年投入使用的云南天文臺(tái)麗江觀測(cè)基地的2.4米望遠(yuǎn)鏡了。而國(guó)際上，從20世紀(jì)90年代開始，8～10米級(jí)的大口徑望遠(yuǎn)鏡就不斷涌現(xiàn)。目前，在美國(guó)、智利、南非等地，累計(jì)已有13座口徑8 米以上的通用型望遠(yuǎn)鏡投入使用。歐美各國(guó)還在積極醞釀下一代30～40米級(jí)超大口徑地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃。

為什么要修建大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡？

望遠(yuǎn)鏡的集光能力與口徑的平方成正比。也就是說，在收集來自遙遠(yuǎn)宇宙暗弱星光的能力這方面，世界先進(jìn)水平已經(jīng)超過我國(guó)十倍以上，并有進(jìn)一步超越我國(guó)百倍以上的趨勢(shì)。

從十多年前開始，中國(guó)天文學(xué)家就不斷討論如何才能“彎道超車”。其間，對(duì)于是參加“30米望遠(yuǎn)鏡”（TMT）國(guó)際合作計(jì)劃，還是以我國(guó)為主發(fā)起20米級(jí)望遠(yuǎn)鏡的國(guó)際合作項(xiàng)目，曾經(jīng)在學(xué)界內(nèi)有過激烈的爭(zhēng)論。一番溝通折中之后，中國(guó)天文學(xué)界達(dá)成了自主建設(shè)口徑12米的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的共識(shí)，以爭(zhēng)取在國(guó)外30～40米級(jí)超大口徑望遠(yuǎn)鏡落地之前，搶占10米級(jí)望遠(yuǎn)鏡梯隊(duì)的鰲頭。

全球大尺寸望遠(yuǎn)鏡

但12米望遠(yuǎn)鏡放在哪，成了個(gè)大問題?！肮鼐赐h(yuǎn)鏡”所在的興隆觀測(cè)基地，號(hào)稱東亞最大的光學(xué)天文基地。從擁有的望遠(yuǎn)鏡數(shù)量、質(zhì)量來說，這無可爭(zhēng)議;但事實(shí)上，選址于20世紀(jì)60年代的興隆觀測(cè)基地，處于北京、天津、承德、唐山等多個(gè)環(huán)渤海城市群的包夾之中，日益受到周邊城市發(fā)展帶來的光污染與霧霾的威脅。原計(jì)劃開展銀河系內(nèi)與銀河系外兩方面巡天任務(wù)的“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”，受限于興隆站不斷惡化的觀測(cè)條件，后來只得局限于相對(duì)容易開展的銀河系內(nèi)巡天。

與海拔900多米的興隆觀測(cè)站相比，海拔3100多米的麗江觀測(cè)站條件稍好，但這里同樣不具備安置10米以上大型望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)良條件。為下一代大望遠(yuǎn)鏡尋找一個(gè)世界頂級(jí)的天文臺(tái)址，成為中國(guó)天文學(xué)家必須解決的重大問題。

天文學(xué)家眼中的世界頂級(jí)天文臺(tái)臺(tái)址在哪里？

顯然，光學(xué)波段天文學(xué)觀測(cè)最重要的就是晴朗無云的夜空、無光污染和霧霾影響的環(huán)境。而要滿足優(yōu)秀天文臺(tái)對(duì)晴天率高、降水稀少等氣象條件的嚴(yán)格要求，就需要其選址地有荒蕪的山峰和裸露的巖石。用鄧?yán)畈叛芯繂T的話說，我國(guó)既有的興隆、麗江等大型光學(xué)臺(tái)臺(tái)址，“無一不是綠樹蔥蘢、繁花似錦”，直觀上看起來，就與世界頂級(jí)天文臺(tái)有一定的距離。

世界頂級(jí)天文臺(tái)臺(tái)址的代表——夏威夷莫納克亞天文臺(tái)

視寧度直接決定觀測(cè)效果

公認(rèn)的世界頂級(jí)天文臺(tái)臺(tái)址，有夏威夷大島的莫納克亞火山山頂（海拔4200米），以及智利北部的阿塔卡馬高原地區(qū)（海拔5000米左右）。兩處天文臺(tái)所處的皆是寸草不生的蒼涼之地。

不僅如此，位于太平洋中心的夏威夷，受益于周圍廣袤水體的“熱緩沖器”作用，溫度變化很小;穩(wěn)定的洋流帶來穩(wěn)定流動(dòng)的風(fēng)，讓星光在穿越這里的大氣時(shí)，甚少受到不穩(wěn)定的大氣湍流的影響，從而可以在望遠(yuǎn)鏡中呈現(xiàn)銳利的星象。

衡量大氣穩(wěn)定程度的是天文學(xué)家稱之為“視寧度”的數(shù)值。莫納克亞等頂級(jí)天文臺(tái)的視寧度，通?？梢赃_(dá)到1角秒甚至更少;相較而言，興隆等低海拔臺(tái)址，其視寧度通常只有2～3角秒。

晴朗干燥、視寧度好、遠(yuǎn)離城市，地球上最滿足這些條件的地方在南極。位于南極大陸制高點(diǎn)冰穹A的中國(guó)南極昆侖站正在開展的天文學(xué)觀測(cè)表明，那里是一個(gè)條件接近太空的天文觀測(cè)寶地。然而與準(zhǔn)空間級(jí)的條件相對(duì)應(yīng)的，是極其不便的后勤補(bǔ)給條件。

西強(qiáng)于東

要在有限的預(yù)算內(nèi)建設(shè)下一代大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，我們勢(shì)必要把目光投向中國(guó)廣袤、高寒的西部。

從2003年開始，國(guó)家天文臺(tái)就啟動(dòng)了西部天文臺(tái)選址項(xiàng)目，試圖在西藏、青海、新疆或四川的高海拔地點(diǎn)，找到一個(gè)能為中國(guó)天文發(fā)展提供長(zhǎng)期可靠支撐的頂級(jí)天文臺(tái)址。

一度進(jìn)入人們視野的是西藏阿里、四川稻城、新疆慕士塔格等地。其中海拔5000多米的阿里臺(tái)址被寄予厚望：這里距離獅泉河昆莎機(jī)場(chǎng)比較近，在交通便利性方面有著較大優(yōu)勢(shì)。但距離阿里臺(tái)址最近的小鎮(zhèn)獅泉河，海拔仍在4000米以上，常人難以在此久居。缺乏低海拔后勤補(bǔ)給點(diǎn)成為阿里臺(tái)址的重大軟肋。

四川稻城無名山臺(tái)址由云南天文臺(tái)“中國(guó)巨型太陽望遠(yuǎn)鏡”團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)。在距它1小時(shí)車程處，有海拔2800米的桑堆鄉(xiāng)可以為未來的天文臺(tái)提供后勤支持。這里的視寧度也相當(dāng)優(yōu)異，好于阿里臺(tái)址。在2017年的一場(chǎng)內(nèi)部投票中，稻城臺(tái)址在與阿里、慕士塔格的競(jìng)爭(zhēng)中勝出，成為最被看好的12米望遠(yuǎn)鏡選址地。

然而，一個(gè)高級(jí)別專家組前往稻城考察期間，天公不作美，連續(xù)幾天的陰雨促使專家組重視起稻城臺(tái)址晴天率低的問題，12米鏡花落誰家懸念重現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)冷湖

2009 年，國(guó)家天文臺(tái)鄧?yán)畈叛芯繂T在青海德令哈設(shè)置了一個(gè)口徑1米的小望遠(yuǎn)鏡，作為國(guó)際恒星觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱SONG）的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

德令哈觀測(cè)站本來是紫金山天文臺(tái)的一個(gè)射電天文學(xué)臺(tái)站，擁有一架13.7米口徑的毫米波望遠(yuǎn)鏡。雖然此站不是為光學(xué)天文觀測(cè)所設(shè)，但 SONG 項(xiàng)目口徑較小，對(duì)臺(tái)址要求不甚嚴(yán)苛，鄧?yán)畈女?dāng)時(shí)考察后認(rèn)為，這里的天空條件也能滿足觀測(cè)所需。

然而德令哈市的發(fā)展出乎了天文學(xué)家的意料。2017年，德令哈市方向的天空背景，已經(jīng)比項(xiàng)目開始之初亮了1000倍，讓SONG的觀測(cè)難以為繼。

恰在此時(shí)，青海海西州一個(gè)曾經(jīng)因石油興盛，又因資源枯竭沉寂的小鎮(zhèn)——冷湖，進(jìn)入了鄧?yán)畈诺囊曇啊?/p>

冷湖是一個(gè)極其孤寂的小鎮(zhèn)，常住人口不過百余人。反倒是郊外幾處大面積的石油小鎮(zhèn)遺址，以其書寫著昂揚(yáng)語錄的斷壁殘?jiān)?，昭顯著這里曾經(jīng)的輝煌。

火星小鎮(zhèn)冷湖

冷湖號(hào)稱擁有世界上最大、最成熟的雅丹地貌群。風(fēng)常年掠過這里荒蕪的山丘，雕刻出一座座前部圓盾形、后部拖著長(zhǎng)尾的土包，連綿不絕，直到遠(yuǎn)方，是為雅丹地貌。

因?yàn)檠诺ね瑯邮腔鹦巧弦环N常見地貌，所以當(dāng)?shù)匾浴盎鹦切℃?zhèn)”包裝這個(gè)荒原中的微小人類聚落，甚至還在最雄偉的雅丹景觀“俄博梁”不遠(yuǎn)處建設(shè)了一座“火星營(yíng)地”。謀求轉(zhuǎn)型的當(dāng)?shù)卣肓艘幌盗信c太空、宇宙概念相關(guān)的產(chǎn)業(yè)：有以“冷湖”為名的科幻文學(xué)獎(jiǎng)，還有若干民營(yíng)航天企業(yè)在此落戶建立火箭發(fā)射試驗(yàn)場(chǎng)。

正是在這樣的背景下，鄧?yán)畈叛芯繂T被邀請(qǐng)到冷湖，考察當(dāng)?shù)厥欠裼泻线m的天文臺(tái)址。鄧?yán)畈诺綄?shí)地一看，這里天空背景暗、干燥，沿途寸草不生，還真的可能有戲。

2017年，當(dāng)?shù)卣畬?duì)選址團(tuán)隊(duì)承諾會(huì)對(duì)冷湖全域進(jìn)行光污染管控;2018年春，大規(guī)模的選址工作就在距離冷湖80千米車程的賽什騰山啟動(dòng)了。海西州以 12 萬元一天的成本，出動(dòng)直升機(jī)運(yùn)送人員和物資抵達(dá)海拔4200～4500米的幾個(gè)選址點(diǎn)?；練庀髤?shù)、視寧度、粉塵含量監(jiān)測(cè)儀器先后到位。2019年秋，一條16千米長(zhǎng)的筆直土路和約 20千米長(zhǎng)的盤山路修通，大卡車開始往來穿梭，建設(shè)進(jìn)一步提速。

火星小鎮(zhèn)：冷湖

賭對(duì)了

這是一番豪賭，而這一次，鄧?yán)畈刨€對(duì)了。在高達(dá)95%的監(jiān)測(cè)覆蓋率下，開始監(jiān)測(cè)三年后，冷湖賽什騰山選址點(diǎn)給出了令人振奮的結(jié)果。這里的優(yōu)良晴夜率（能觀測(cè)3小時(shí)以上的晴夜比率）高達(dá)84%，優(yōu)于阿里的 82%，更遠(yuǎn)高于稻城的59%。有一半時(shí)間的視寧度優(yōu)于 0.75 角秒，明顯好于稻城的0.99角秒，也好于慕士塔格的0.84角秒。

這些數(shù)據(jù)不僅超越國(guó)內(nèi)此前幾個(gè)西部選址點(diǎn)，甚至與夏威夷莫納克亞、智利阿塔卡馬相比，也不遑多讓。實(shí)際上，冷湖的視寧度追平了莫納克亞，天光背景和水汽含量好于莫納克亞，僅晴空率稍弱于后者。

冷湖鎮(zhèn)海拔僅2800米，距離敦煌機(jī)場(chǎng)3小時(shí)車程，交通和后勤補(bǔ)給條件也都一流。

綜合來看，這里確實(shí)可稱為中國(guó)最優(yōu)秀的光學(xué)天文臺(tái)址，甚至可稱之為歐亞大陸或東半球最優(yōu)秀的天文臺(tái)址。

而在中國(guó)建設(shè)頂級(jí)天文臺(tái)址，受惠的絕不僅僅是中國(guó)天文學(xué)家：在世界天文學(xué)的版圖上，歐洲、東亞、太平洋中部、北美，以及智利、澳大利亞、南非等地的一系列望遠(yuǎn)鏡可以織成一張大網(wǎng)，對(duì)特定天體進(jìn)行接力觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間這個(gè)維度上連續(xù)覆蓋——這叫作時(shí)域天文學(xué)，是天文學(xué)發(fā)展的大勢(shì)所趨，也是鄧?yán)畈叛芯繂T的專長(zhǎng)。有了冷湖這個(gè)頂級(jí)臺(tái)址，中國(guó)天文學(xué)家可以更有底氣、更有意義地參與國(guó)際時(shí)域天文聯(lián)測(cè);世界各國(guó)天文學(xué)家也都得以擁有更優(yōu)質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

建設(shè)中的冷湖賽什騰山天文臺(tái)

冷湖未來

就在《自然》文章出刊前兩天，我登上了賽什騰山——這座繁忙的大工地。盤山公路沿途，已有不少于三處山頭正在大興土木，建設(shè)望遠(yuǎn)鏡圓頂?shù)然A(chǔ)設(shè)施。僅在海拔4200米的 C點(diǎn)一處，就會(huì)聚了好幾個(gè)項(xiàng)目的在建工地：中科大—紫金山天文臺(tái)2.5米大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡（WFST）、搬遷至此的SONG望遠(yuǎn)鏡、中科院地質(zhì)地球所用于觀測(cè)行星的0.8米PAST和1.8米TINTIN望遠(yuǎn)鏡、西華師大的0.5米雙筒望遠(yuǎn)鏡（50BiN）。

PAST與 50BiN位于一對(duì)相鄰且相同大小的白色圓頂中，乍一看，簡(jiǎn)直就是莫納克亞山頂兩座10米凱克望遠(yuǎn)鏡的翻版。山頂?shù)墓と藥煾蹈嬖V我，他們有的人已經(jīng)在此駐扎5個(gè)月沒有下山。高大的塔吊聳立在蒼穹中——一派熱火朝天的建設(shè)景象，令人十分欣快。

據(jù)了解，在興隆站無法完全發(fā)揮威力的“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”也有意搬遷至冷湖，并有望在條件成熟時(shí)升級(jí)到8米口徑;清華大學(xué)也正在著力推動(dòng)口徑6.5米的“寬視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡”（MUST）。也就是說，未來冷湖可能擁有兩臺(tái)6～8米口徑、威力強(qiáng)大的大視場(chǎng)、多光纖光譜巡天望遠(yuǎn)鏡同時(shí)工作。

據(jù)悉，中國(guó)科學(xué)院已經(jīng)將冷湖臺(tái)址列入未來大口徑通用望遠(yuǎn)鏡建設(shè)的藍(lán)圖。之前的爭(zhēng)議與困惑終于迎來了曙光。

我已經(jīng)禁不住暢想，十年之后，大小圓頂林立的賽什騰山，將會(huì)是中國(guó)天文學(xué)家心中怎樣的一座圣殿？！

從賽什騰山頂拍攝到的銀河