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【科技日報】青海冷湖鎮地區發現一流光學紅外天文臺臺址

望向深空之眼建在哪兒“視力”最佳

2021-08-31 科技日報 金鳳
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在賽什滕山上第一次做地面視寧度測量受訪者供圖

2021年七夕,正在施工中的冷湖鎮賽什騰山臺址。洪文瀚攝

  下一代地基光學紅外望遠鏡最大的特點就是口徑大,觀測的天體也會更暗。這就要求天文臺臺址在保證可觀測夜數足夠的前提下,天空背景要更暗,大氣湍流要更小,視寧度要更低,才能有效發揮望遠鏡性能。—— 馮麓 中國科學院國家天文臺副研究員

  青海省西北角的冷湖鎮,正在成為全球天文界關注的焦點。這里的賽什騰山,最高海拔4576米,距離敦煌約250千米。

  自2018年初至2020年底,近3年間,這塊干旱少雨、日照強烈的地區吸引了一批批科學家,他們不時仰望星空,試圖從云量、夜空背景亮度、氣溫、壓力、濕度、風速和方向、灰塵、可降水量等數據中抽絲剝繭,目的只有一個,為未來的望遠鏡尋找一處適合安放的新家。

  最終的結果足以令科學家們欣慰。

  近日,中國科學院國家天文臺、中國科學院大學、西華師范大學、中國科學院地質與地球物理研究所、中國科學院紫金山天文臺青海觀測站等團隊的研究人員在《自然》雜志發表論文稱,他們發現賽什騰山C區4200米海拔標高點的光學觀測條件,在光學紅外天文觀測性能方面可以比肩國際一流光學紅外天文臺臺址。其中,能夠影響地基望遠鏡成像質量的視寧度指標的中值為0.75角秒,這個參數與國際最佳臺址數據大致相同。

  目前已知的世界上最好的天文臺臺址包括以美國夏威夷莫納克亞山為代表的海島高山型,以智利塞羅·帕拉納地區為代表的海岸邊高聳山脈型和以南極為代表的極地型。內陸是否存在能與之比肩的優秀臺址,賽什騰山C區的發現給出了答案。選臺址可能是天文領域中最艱苦的工作之一。在每一處臺址背后,都有一串大數據的支撐,除了需要考察地形、地質、運行支撐外,還需考慮諸多天文觀測的相關影響因素,包括晴夜數、視寧度、氣象條件等指標。

  避開光污染 天文臺臺址不斷遠離城市

  “古老的天文臺,例如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。在它們建設的時代,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。”上述論文第一作者、中國科學院國家天文臺研究員鄧李才介紹,天文學發展到近代,逐漸開始重視天文臺的選址,天文臺臺址也在不斷遠離城市。

  鄧李才說,地基天文觀測都是透過地球大氣進行觀測,大氣中的物質會吸收來自天體的信號,所以臺址上空的大氣越薄,被吸收的信號就越少。因此需要在海拔盡可能高的地方選址。

  此外,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。

  人類活動不僅制造了更多的光污染,也讓尖端的地基光學紅外望遠鏡直面更多挑戰。中國科學院國家天文臺副研究員馮麓告訴科技日報記者:“現代的光學紅外望遠鏡在靈敏度和波長覆蓋范圍方面,要比以前強得多。望遠鏡的聚光能力越來越強,也就意味著它們不僅能捕捉星光,也會將城市燈光一起收集進來。而未來觀測的天體目標越來越遠,這就意味著在地面觀測的時候它們本身就會很暗。所以用于夜間觀測的天文臺的選址就要避免城市的光污染,選擇更偏僻的地方。”

  建國初期,我國用來在夜間觀測的天文臺只有位于南京市的中國科學院紫金山天文臺。上世紀90年代,天文學家在我國西部開展了一系列臺址探查和監測工作。云南天文臺的高美古觀測站、新疆天文臺的南山觀測站、青海的德令哈觀測站就誕生于這一時期。這些臺站的海拔高度普遍在2000—3000米,相對于海拔僅有900米的河北興隆觀測站,它們能避開1000—2000米的大氣湍流,視寧度也就更好,更有助于望遠鏡成像。

  為了應對未來更大口徑望遠鏡建設的需求,我國在2003年前后集中力量對青藏高原和帕米爾高原開展了選址工作。西藏的烏瑪、噶爾,新疆的卡拉蘇等海拔在3000—4000米的臺址都是在這期間涌現出來的。

  海選、踏勘、精測 天文望遠鏡“落戶”不簡單

  夜空中,我們目力所及的繁星,90%以上都是銀河系內的恒星,這是因為這些恒星離我們較近。

  由于地球自轉軸和銀盤存在一個夾角,所以在實際觀測星空的時候,南半球所對應的南天可以看到更多銀河系內的天體;而在北半球對應的北天,銀河系遮擋較少,借助望遠鏡可以看到銀河系外和銀盤外的天體。

  對于天文學家而言,無論是銀河系內還是系外的天體都有重要的研究價值。馮麓說:“對于大口徑望遠鏡的建設而言,地理位置的考量更多的是出于天文臺自身的傾向性,比如美國的天文臺偏向于在本國領土內建設望遠鏡,而歐洲南方天文臺從建臺之初就是要在南半球設立自己的觀測基地等。”

  鄧李才說,想要尋找系外行星上的生命跡象,捕捉電磁引力波爆發和太空偶發的瞬時天體物理事件,望遠鏡就必須盡量均勻地分布在全球各地,才能在有限的時間窗口中精確觀測、驗證這些天文現象。而冷湖鎮在東半球獨特的地理位置,恰好填補了莫納克亞山、阿塔卡馬沙漠和加那利群島三地天文臺之間在地理上的巨大鴻溝。

  當然,讓天文望遠鏡“落戶”,不可能一蹴而就。鄧李才介紹,就冷湖鎮地區的天文臺選址來說,科學家首先從多年來地面氣象臺網和衛星云量的數據中,選擇了一個大致的適宜區域;然后實地踏勘,查看地形地貌、地質條件等,例如是否有起伏明顯的高山,地質條件是否利于修路;再調閱當地3個氣象站近30年的氣候記錄,查看這里的年平均降水量和年日照時間;確定大致可行之后,還要再進行長期的定點測量。

  要“看到”還要“看好” 選址需考慮這些科學指標

  光學天文臺的選址需要考慮諸多科學指標,比如晴夜數、天光背景亮度、視寧度以及涉及氣象條件的風力、顆粒物、水汽等。

  視寧度指的是大氣抖動對望遠鏡觀測星象造成的模糊程度,選址地區的視寧度越低越好。視寧度的監測往往采用差分圖像運動監測儀。這種設備根據所收集到星斑的運動統計結果,結合大氣湍流的物理統計模型,就可以反演出臺址上空大氣的視寧度。

  決定地基光學紅外望遠鏡能否觀測到天體的最重要因素還包括云量遮擋。馮麓介紹,傳統天文觀測有兩種,一種是測量天體的亮度,一種是測量天體的光譜。對于前者而言,因為測量的是來自目標天體光子的絕對數量,所以一旦在觀測目標和望遠鏡之間出現云,到達望遠鏡的光子就會減少,云層太厚的時候也有可能完全接收不到光子。而光譜觀測則不需要測量到達光子的絕對數量,只要有來自天體的光能被接收,而且強度足夠看到各條譜線的相對位置,觀測就是成功的。但如果觀測的天體比較暗,光譜觀測可能也會受一點影響。

  所以,天文學家在考察臺址的云量時,一般會把長時間(比如3到6個小時)在天頂方向很大角度范圍里不存在任何云的情況稱為晴夜或者測光夜。而在長時間較小范圍內無云或者少云的情況被稱為光譜夜。

  馮麓認為:“一個臺址是否優良,首先要看的就是它的晴夜和光譜夜占全年的百分比。如果有云,還要看云的分布和有云時間的長短。”

  此外,水汽是阻止紅外光穿透大氣的主要因素。評價大氣水汽含量的指標是大氣可沉降水汽含量。它表征了從地面到天頂大氣中水汽的總量,海拔越高水汽含量越低,周圍植被越少的臺址通常可沉降水汽含量也較低。水汽的指標測量較為復雜,往往需要在紅外和射電多波段同時進行探測,根據探測結果,結合模型反演出可沉降水汽含量的絕對值。

  “不過,考慮一地是否適合作為臺址,還要綜合考慮各個參數之間的關系,在能‘看到’天體的基礎上‘看好’才行。”馮麓說。

  為了讓天文望遠鏡盡可能不受環境的影響,近年來科學家也在嘗試將自適應光學系統應用于天文望遠鏡中。

  馮麓介紹,自適應光學系統可以根據大氣湍流的特征,在望遠鏡光路中對接收到的天體畸變波前進行校正,盡可能降低大氣湍流對成像的影響。同時,為了實時探測大氣湍流,科學家會使用高性能的鈉激光,激發位于90—110千米高空中的鈉原子,使鈉原子產生共振熒光。共振熒光中,后向發射的光子返回地面的過程中,會將大氣湍流照亮,科學家就可以據此判斷大氣湍流的變化強度,繼而進行校正。但這種技術會受到鈉層在豐度和高度上地域和季節性變化的影響,同時還會受到高空風速、地球磁場矢量等與臺址相關因素的制約。

  “但無論如何,下一代地基光學紅外望遠鏡最大的特點就是口徑大,觀測的天體也會更暗。這就要求天文臺臺址在保證可觀測夜數足夠的前提下,天空背景要更暗,大氣湍流要更小,視寧度要更低,才能有效發揮望遠鏡性能。”馮麓說。

(原載于《科技日報》 2021-08-31 08版)

打印 責任編輯:閻芳

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