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下一代大型望远镜的“家”在哪儿?可能在青藏高原!

作者:宏汇助孕公司时间:2021-09-03 06:25:12热度:1195
给下一代大型望远镜找个“家”邓李才王昱近年来,我国射电天文快速发展,位于贵州省平塘县的500米口径球面射电望远镜FAST是世界上最大的球面射电望远镜。除了射电望

  给下一代大型望远镜找个“家”

  邓李才 王昱

  近年来,我国射电天文快速发展,位于贵州省平塘县的500米口径球面射电望远镜FAST是世界上最大的球面射电望远镜。除了射电望远镜,光学红外望远镜也是天文观测的利器。

  早在2016年,12米光学红外望远镜(LOT)就成为“十三五”时期我国优先布局的10个重大科技基础设施建设项目之一。然而,选择放置这台望远镜的台址仍然是个悬而未决的问题。

  《自然》杂志日前发表论文,介绍了我国科学家在青海冷湖地区发现国际一流光学天文台址,论证了青藏高原可能是建造下一代大型望远镜的合适选址。今天,我们就一起聊聊天文台选址的故事。

  东半球建顶级望远镜意义重大

  在远古时期,我们的祖先凭一双肉眼就开始了对满天繁星的探索和想象。400多年前,望远镜的发明真正超越了人眼,可以想象,当伽利略第一次看到木星的样子和围绕木星的四颗大卫星时该多么激动。这应该是人类历史上正式记录的第一次透过望远镜的天文观测!

  因为自然的原因,我们现在理解的光学波段的天文观测,一直主导了学科的发展。原因特别简单:

  人类赖以生存的大气正好屏蔽了对地球生命有害的紫外光和大部分比光学波段更长的红外光,大气在波长更长的电磁辐射中又变得透明,使得我们可以与人造卫星通讯。而宇宙中可以被看到的天体(恒星或由恒星组成的更大尺度的天体)发出的能量大部分就在光学波段。尽管我们现在知道的宇宙,绝大部分都不是我们可以看到的未知物质(暗物质或暗能量),但我们看到的这一小部分天体充当了示踪物,是天文观测获取信息的最主要来源。从这个意义上讲,光学(包括紫外光和红外光)天文观测在现代天体物理研究中是不可或缺的重要手段。

  为图发展,我国的天文台都在选择新的地址建设观测设备。比如云南天文台在青藏高原东沿的横断山选址,从1992年到1998年,历时6年监测、评估之后,终于在丽江高美古建成了目前中国最大口径的通用型望远镜(2.4米)。二十多年来,中国的光学天文观测就依赖兴隆基地2.16米和高美古2.4米这两台通用型望远镜,还有建于兴隆基地的郭守敬望远镜(LAMOST)负责银河系巡天,为我国在当今的光学天文领域争得了一席之地。

  对光学望远镜而言,口径是一个非常重要的参数。目前我国光学最大的通用光学望远镜口径为2.4米,郭守敬望远镜(LAMOST)口径虽然达到了4—6米级,但LAMOST是光谱巡天望远镜,难以进行成像观测。而欧美和日本10米级别的望远镜已经进入天文研究二十多年,目前还有三台口径达30米以上的巨型望远镜正在建设之中。2020年诺贝尔物理学奖直接来自10米的美国凯克望远镜和欧洲甚大望远镜(8米的4台)对银河系中心黑洞的长期观测。我们今天的光学望远镜滞后了太多。从更大一些的视野来看,目前世界上顶级的光学望远镜都位于西半球,从这个角度上说,在东半球建设顶级望远镜也具有重要意义。如果天文学家需要观测那些转瞬即逝的目标,那么望远镜就必须尽量均匀地分布在全球各地。否则,在重要天体物理事件发生时,就有可能无从观测。

  2016年,我国光学天文的发展迎来了一个重大机遇:12米光学红外望远镜(LOT)成为“十三五”时期优先布局的10个重大科技基础设施建设项目之一。国家有了资助天文学科发展国际水平设施的实力,天文家们倍感振奋之余,却发现似乎并没有准备充分,其中的关键问题之一就是在哪儿放置这台望远镜。

  光学天文望远镜选址为何如此重要

  要讲述天文台选址的故事,一个首先要回答的问题是:在当今太空技术相当发达的时代,为什么还要在地面建设观测设备?

  答案也很直接:由于技术的限制,我们不可能把超大型的设备送入太空,而大型设备和与之匹配的仪器在现代和未来天文学、物理学领域中探索极致问题时是不可或缺的。

  第二个问题是,为什么对大型望远镜设施的台址那么挑剔?

  地基天文观测都是透过地球大气进行观测,地球大气中的物质成分对来自天体的信号会产生吸收,台址上空的大气越薄,吸收就越少,因此我们需要去海拔尽可能高的地方选址。选址还需要远离人造光源,因为大气中各种因素产生的散射会严重影响天文观测。当然,同时还要夜空晴朗,否则我们根本看不见星空。除此之外,地球的大气是不稳定的,沿望远镜视线方向的无规律大气湍流会扭曲来自天体的光线,这就是所谓的视宁度。对于现代和未来的大型设备而言,视宁度非常重要。

  经典的天文台,比如闻名世界的英国格林尼治天文台、伽利略工作过的意大利帕多瓦天文台,都建在城市里或近郊。这些古老天文台定址都是由科学之外的因素主导,在他们建设的时代望远镜口径很小,观测也主要以目视为主,而且那时城市几乎没有光污染。现在看来,这些天文台都成了历史遗迹和地标文物。

  近代的天文台逐渐开始重视选址。但凡专业的天文台,其建设过程的第一步就是严格选址。天文台选址是一系列因素的综合考量,除了台址本身的参数外,还包括天文望远镜的科学目标、资金预算、技术和运维支撑等等。对天文台参数的要求也是随着技术的发展逐步提高,有时甚至是苛刻的,比如正在建设的超大型光学望远镜(美国牵头的30米TMT和欧洲合建的39米E-ELT)台址的选择。

  随着城市现代化程度的提升和人口的增长,特别是望远镜口径的扩大、探测设备灵敏度的提高和对科学目标的重视,城市灯光对天文观测的影响变得不可接受。紫金山天文台、云南天文台、兴隆观测基地等都因为城市的亮化受到了不同程度的影响。

  我们先来看看世界上最好的天文台都是什么情况。南极的冰盖之上,具有世界上最稳定、透明的大气,这是逼近亚空间的观测条件。当然,选址以及后期的建设和运行成本也是直逼空间设施,这是不利因素。除此之外,世界上顶尖质量的台址非常有限,比如夏威夷大岛上的Mauna Kea天文台和智利北部阿塔卡玛沙漠地区的天文台,还有相对次一等的西班牙加那利群岛上的天文台。

  先不谈台址的观测条件参数,这些顶级的天文台从地貌上看就跟经典的天文台大不一样。这些天文台无一例外都是处于鲜有植被的干旱地区,看起来都是荒漠和裸岩。最佳的天文台址一定是寸草不生的,因为干燥无雨、大气稀薄等望远镜所需要的环境特征,明显与植物的生存条件相悖;另一方面,植物蒸腾效应带来的水汽又会影响天文观测质量。

  所以,我国现代天文台选址的基本方向,就是走向高原、走向人迹罕至的地域。

  青藏高原拥有无可比拟的地基天文观测优势

  对于规划中的12米光学红外望远镜(LOT)的选址,我们的选择当然不可能是已经建设成熟的现有台址,因为即便是当前观测条件最好的高美古,也无法充分发挥这台望远镜的科学能力。实际上,我国天文界未雨绸缪,针对将来可能的大口径望远镜的选址工作早在2000年就已经展开,目标就是青藏高原!

  最初的选址工作异常困难,这可能是所有现代天文台选址必须面对的。2009年国家天文台加入了国际恒星观测网络(SONG)并建设一个节点。由于经费的限制和项目对台址相对较低的科学要求,我们选址了具有良好支撑条件的紫金山天文台青海观测站(位于德令哈市)。由于该站是一个射电天文基地,其光学参数不甚明晰,项目组花了5年的时间对青海站的光学观测条件进行了认证,确认那里可以满足SONG的科学目标要求。

  始料未及的是,德令哈在10年后进入了发展的快车道。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响SONG观测的程度。

  在机缘巧合下,我们选址团队受到青海省海西州冷湖地区政府的邀请,前往青海冷湖镇寻找天文台址,这是天文学家首次以选址的目的来到冷湖。

  冷湖镇在上世纪六七十年代时,曾因石油开采一度增长到10万人口,但随着石油资源逐渐枯竭,冷湖再度回到几乎无人的状态。

  地基天文观测受到大气厚度影响,海拔越高,大气越薄,受到的影响就越小。自然,世界屋脊青藏高原在这方面有着无可比拟的优势,但冷湖之前并没有落入天文台址的候选范围——因为它比邻塔克拉玛干沙漠,加上本地的风蚀地貌,前人担心风沙会对望远镜的运行造成影响。

  不过,物理规律告诉我们,沙尘浓度应该随着高度而呈指数衰减,只要有相对隆起、足够陡、足够高的山地,沙尘对台址就应该不是问题。2017年10月,选址团队委托当地政府选出了几个冷湖镇附近的山峰,他们确认镇东部的赛什腾山满足条件。

  在选址团队到来之前,赛什腾山还是一座处女峰——未被人攀登过。在2019年7月山路贯通之前,选址团队想上山顶,通常只能靠双腿攀登。后来为了进一步考察,选址团队使用了海西州政府的直升机在山顶搭建观测平台,设置科学仪器。

  仅凭肉眼的直觉是远远无法作为选址依据的,选址团队在山顶架设的一批科学仪器可以检测气象、晴夜占比、天文大气总视宁度、天光背景,以及人们此前最担心的风沙(多种参数,以空气质量指数PM10为代表)等数据。同时,选址团队用气象数据拟合了可靠的可沉降水汽指标等数据,还专门建设了一个网站实时公开这些数据。公开选址数据是为了工作的可信度。

  自2018年3月以来,这些仪器几乎一刻不停地收集着各项数据。最终,选址团队将这些数据整理成论文,发表在最新一期《自然》杂志上。

  冷湖台址区域的优质晴夜时间(天文上的测光夜)占比达70%,外加大约15%的部分有云的光谱观时间,每年天文观测可用的时间达300天。冷湖地区属极度干旱地区。有研究显示,在过去60年中,冷湖的年均降水量为12毫米,但蒸发量却高达3000毫米以上。

  我们的分析印证了历史资料的统计结论,这里夜间可沉降水汽柱密度在2毫米以下的时间占比优于美国的Mauna Kea天文台(54%),远低于智利和其他地区的大型光学天文台。根据赛什腾山C区的实际测量,夜间台址点气温起伏(峰谷差)中位值仅为2.5℃,这意味着地面层的大气非常稳定。该区域的风以西北方向为主导,风速的中位值小于每秒5米。

  对天文观测而言,光学视宁度无疑是最受关注的台址参数。光学视宁度的积分量,即总视宁度一般用DIMM获得。在剔除热点和天气影响后,截至2020年12月31日的DIMM视宁度中位值为0.75角秒,与世界其他顶级天文台相比,基本持平。

  数据显示,4200米的赛什腾山C区空气质量优秀,而有限的几次弱沙尘过程很容易防护,对天文观测和设备没有实质性影响。

  冷湖地区天文观测台址的发现打破了长期制约我国光学天文观测发展的瓶颈,不仅为我国光学天文发展创造了重大机遇,而且冷湖所在的地理经度区域内,尚属世界大型光学望远镜的空白区,因此也是国际光学天文发展的宝贵资源。

  随着更多基础设施的建设和进一步测试的开展,相信今后冷湖将成为国际光学天文研究的重要基地,成为人类探索宇宙奥秘、培育原创性科学成果的重要策源地。

  (作者邓李才为论文主要作者、中国科学院国家天文台研究员,王昱为《环球科学》记者)

【编辑:房家梁】