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天文台应该建在哪儿?中科院的“登山高手”告诉你

你所在的城市有天文台吗?
 
8月18日,《自然》发表了一篇论文,报道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。要知道,地球上能达到下一代望远镜建造和运行要求的优良天文观测点为数不多,此前选定的所有台站都位于西半球。
 
天文台应该建在什么地方?如何确定优良的天文观测台址?今天,我们请这篇《自然》论文的作者之一、中国科学院国家天文台的邓李才研究员来讲述“天文台选址”的故事。
 
撰文 | 邓李才(中国科学院国家天文台)
 
故事要从南京说起
 
三十多年前,我来到了南京的紫金山天文台求学。
 
南京是中国天文学的摇篮,也是中国天文学教育和研究的中心。东郊的紫金山自古城墙东北角隆起,一直向东延伸,形成了龙盘之势。在这里,有中国的第一个现代天文台——紫金山天文台。
紫金山天文台丨来源:中国数字科技馆
 
我非常有幸在这里开启了我的职业生涯,更为有幸的是利用当时紫金山天文台的当家重器(60厘米反射式望远镜)和当时国内其他天文台的几台“现代”望远镜(云南天文台凤凰山1米、兴隆观测基地1.2米红外望远镜)完成了硕士论文。
 
看看我国一些其它天文台~
从上到下分别为:云南天文台、兴隆观测基地、上海佘山天文台
 
可以说,这些天文台见证了新中国无数天文学和空间科学的基础性成就。但是,随着技术的发展和环境的变迁,它们的科学研究使命逐步接近尾声,我们需要更优良的观测台址了。
 
要找地方建天文台,究竟有多难?
 
昼夜翻转和四季轮回可能是人类最早感知的自然现象。即使是在远古时期,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应该多么激动。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!自那以后,天文观测都是从地面透过地球大气向太空瞭望的模式,直至人类把望远镜送到大气层之外。
 
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(包括紫外和红外光)天文观测在现代天体物理研究中是不可或缺的最重要手段。
光学天文观测的波段示意图丨来源:格致论道讲坛
 
要讲述天文台址选址的故事,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?
 
对这个问题的回答需要一点背景知识。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,同时还要是夜空晴朗,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。
 
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。
 
现代天文台,走向无人区
 
时间来到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放置这台望远镜的台址。
 
我们的选择当然不可能是当时已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(如快速建成,将在国际超大型望远镜工作之前超越美国的凯克望远镜、成为十米级望远镜的领头羊)。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。
 
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、最透明的大气,这是逼近亚空间的观测条件(Ma et al. 2019,Lawrence et al. 2004)。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。
夏威夷大岛上的Mauna Kea天文台
智利北部阿塔卡玛沙漠地区的天文台(来源:https://www.eso.org/public/)
 
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。我们上面提到的国内目前的光学基地,无一不是绿树葱茏,繁花似锦。这种表观上的区别实际上反映的是基本的台址参数,而绿树成荫的环境是现代天文观测的大敌。所以,我国现代天文台选址的基本方向,就是走向高原、走向不适合人类生存的地域。
 
而青海省海西州就存在这样一个地域。
 
我们项目组介入冷湖地区的选址任务纯粹是出于偶然,但结果却有深远的意义。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。此时,正在谋求转型发展的海西州冷湖地区的领导与我们谈起了冷湖优质的星空和绝美雅丹地貌地质环境,大家意识到,这里可能是一个潜在的优良光学/红外观测台址。经过大量前期工作,选址工作在2018年开始了,确定在冷湖赛什腾山区4200米海拔标高点(C区)进行定点选址。
 
以下是当地政府对选址工作提供的一些关键支持举措:
 
· 2018年1月:项目组开始在山下临时监测点布局设备并开始测量基本气息参数,光缆到达临时点用了3个月。
 
· 2018年4月:道路施工启动。
 
· 2018年5月:海西州出动直升机运送选址人员第一次到达选址点。
 
· 2018年7-9月:海西州出动直升机吊运选址需要的基建材料、设备物料上山。
 
· 2018年10月:开始视宁度监测,至此除粉尘仪之外(2019年底开始运行)的所有设备到位。
 
· 2019年9月:砂石路修达选址点。
直升机运送建筑材料丨来源:作者提供
 
如果没有直升机加持,选址工作并非不可以进行,但完成的时间会至少延迟1年半;如果没有地方政府和地方干部的全情参与,冷湖地区的天文选址也会提上议事日程,但什么时间、什么条件下才开始就是个未知数了。可以说,这些支持不仅是地方政府对地方发展和民生的担当,也是地方政府对国家基础研究和战略发展的担当!
 
是天文学家,也是“登山高手”
 
冷湖地区的天文选址很幸运,所有的因素都同时得到了最优的选择!但这并不是说,这件事情就轻松平常。
 
在道路到达山顶之前,选址的设备和运行条件虽然到位,但在非常严酷的环境条件下,电子和机械设备难免问题重重。低温使得线缆硬化接口虚接,极端干燥常引起静电导致的器件保护甚至烧毁。因为山顶没有基本的人员安全保障条件,但凡出现问题,项目人员就得快速响应奔赴冷湖,爬山到选址点。
 
从山脚越野车能到的地方攀登到4200米海拔的山顶,有6公里的行程,近一千米的高差外加10公斤左右的物资和给养,还是一个非常有挑战的任务。在近一年的时间内,项目组人员每人都经历了几十次这样的奔波和历险。
2018年初冬邓李才在登山途中丨来源:田才让 摄
 
爬山的路线极端险峻,第一次攀登上山时,我和当地的干部田才让选错了路径,从山脊上攀了上去,那是对生命的挑战。我们第二次专门去标记了攀登的线路,那也只是在危险的路途上找到相对优化和略为安全的方案。
 
2019年9月,砂石路到达了选址点后,我感觉整个工作一下变得轻松和惬意,因为终于可以在来往冷湖镇和选址点的途中观赏一下赛什腾绝美的山景了。
 
冷湖的观测条件到底如何?
 
天文台选址进入定点阶段,就是依据既往的参数统计规律去判断未来的天文观测条件。也就是说,是基于数据的统计分析来得出结论。因此,数据的完整性(覆盖所有的参数)和连续性就至关重要。这是国际通用的标准。为了得到可靠的判据,我们在选址任务书中承诺,数据的时间覆盖率必须超过95%。5%的空白时间包括电源、设备、数据传输造成的损失,不包括天气因素,因为那正是我们要考量的关键。
2021年七夕的银河拱门,拍摄于施工中的赛什腾C点,赛什腾山台址质量的所有数据均在此采集完成丨来源:洪文瀚 摄
 
因为大型科学装置对现代文旅业发展有巨大的牵引力,因此选址实际上隐含了一种利益上的竞争。但是,未来重大天文观测设施台址的选择,绝对是一个严肃的科学问题,容不得各种其它因素的干扰。从冷湖选址项目组的角度,我们采取了完全透明的数据发布策略,以保障冷湖选址的纯科学性。
 
为此,我们建立了一个网站,即时公开所有的原始数据。为方便同行浏览数据,我们给出了基于原始数据的基本统计图表。同时,为避免引导读者,我们的图表刻意没有进行说明。所以,冷湖选址的过程和结论早就是一个公开的资料,请有兴趣的读者随时查阅我们的网站(http://lenghu.china-vo.org)。
 
这次的《自然》文章,只是选址项目组对选址工作的汇总和我们对公开的选址数据的科学解读,论文和附录全面展示了冷湖台址的质量( 看论文请点击文末的“阅读原文”)。
2018年冬季,在赛什腾C点建有两个测试塔,分别测量白天和夜间的视宁度。这是工作时,用手机拍摄的星轨,星空在地球转动的过程中留下美丽的轨迹丨来源:邓李才 摄
 
为方便大家便捷地了解冷湖赛什腾台址,我们把主要的统计性质在这里做简要陈述。
 
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%),远低于智利和其它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度,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5米每秒。
 
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。全自动的DIMM测量会受到天气条件的影响,比如有薄云通过望远镜视场,所采用的探测器在某些情况下会误采热点等等。
 
截至当前,赛什腾C点的DIMM视宁度直接统计的中位值为0.79角秒(台址网站的统计数值)。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。
2020年12月20日, 50BiN望远镜在于前日安装完成后,进行了测试观测。第一幅科学质量的图像上恒星的半高全宽值为0.68角秒,而当时的视宁度测量值为0.60,完全吻合。这是冷湖天文观测基地的初光。丨来源:田才让 摄
 
结 语
 
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,特别是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,而天文观测常常需要时域、空域的接力观测,因此,也是国际光学天文发展的宝贵资源。
2020年冬季赛什腾雪后的夕照,整个天文台笼罩在落日余晖中,远处是辽阔的柴达木盆地。丨来源:邓李才 摄
 
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。
 
本文经授权转载自微信公众号“科学大院”。



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