望向深空之眼建在哪兒“視力”最佳？選址需考慮這些科學(xué)指標(biāo)

下一代地基光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡最大的特點(diǎn)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(shù)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(fā)揮望遠(yuǎn)鏡性能。

馮麓

中國科學(xué)院國家天文臺副研究員

青海省西北角的冷湖鎮(zhèn)，正在成為全球天文界關(guān)注的焦點(diǎn)。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(qiáng)烈的地區(qū)吸引了一批批科學(xué)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(fēng)速和方向、灰塵、可降水量等數(shù)據(jù)中抽絲剝繭，目的只有一個，為未來的望遠(yuǎn)鏡尋找一處適合安放的新家。

最終的結(jié)果足以令科學(xué)家們欣慰。

近日，中國科學(xué)院國家天文臺、中國科學(xué)院大學(xué)、西華師范大學(xué)、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學(xué)院紫金山天文臺青海觀測站等團(tuán)隊(duì)的研究人員在《自然》雜志發(fā)表論文稱，他們發(fā)現(xiàn)賽什騰山C區(qū)4200米海拔標(biāo)高點(diǎn)的光學(xué)觀測條件，在光學(xué)紅外天文觀測性能方面可以比肩國際一流光學(xué)紅外天文臺臺址。其中，能夠影響地基望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量的視寧度指標(biāo)的中值為0.75角秒，這個參數(shù)與國際最佳臺址數(shù)據(jù)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(qū)為代表的海岸邊高聳山脈型和以南極為代表的極地型。內(nèi)陸是否存在能與之比肩的優(yōu)秀臺址，賽什騰山C區(qū)的發(fā)現(xiàn)給出了答案。選臺址可能是天文領(lǐng)域中最艱苦的工作之一。在每一處臺址背后，都有一串大數(shù)據(jù)的支撐，除了需要考察地形、地質(zhì)、運(yùn)行支撐外，還需考慮諸多天文觀測的相關(guān)影響因素，包括晴夜數(shù)、視寧度、氣象條件等指標(biāo)。

避開光污染天文臺臺址不斷遠(yuǎn)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(shè)的時代，望遠(yuǎn)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(xué)院國家天文臺研究員鄧?yán)畈沤榻B，天文學(xué)發(fā)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(yuǎn)離城市。

鄧?yán)畈耪f，地基天文觀測都是透過地球大氣進(jìn)行觀測，大氣中的物質(zhì)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(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。

人類活動不僅制造了更多的光污染，也讓尖端的地基光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡直面更多挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院國家天文臺副研究員馮麓告訴科技日報記者：“現(xiàn)代的光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡在靈敏度和波長覆蓋范圍方面，要比以前強(qiáng)得多。望遠(yuǎn)鏡的聚光能力越來越強(qiáng)，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(jìn)來。而未來觀測的天體目標(biāo)越來越遠(yuǎn)，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(xué)院紫金山天文臺。上世紀(jì)90年代，天文學(xué)家在我國西部開展了一系列臺址探查和監(jiān)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(yuǎn)鏡成像。

為了應(yīng)對未來更大口徑望遠(yuǎn)鏡建設(shè)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(xiàn)出來的。

海選、踏勘、精測天文望遠(yuǎn)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(nèi)的恒星，這是因?yàn)檫@些恒星離我們較近。

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

對于天文學(xué)家而言，無論是銀河系內(nèi)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(yuǎn)鏡的建設(shè)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(lǐng)土內(nèi)建設(shè)望遠(yuǎn)鏡，而歐洲南方天文臺從建臺之初就是要在南半球設(shè)立自己的觀測基地等。”

鄧?yán)畈耪f，想要尋找系外行星上的生命跡象，捕捉電磁引力波爆發(fā)和太空偶發(fā)的瞬時天體物理事件，望遠(yuǎn)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(yàn)證這些天文現(xiàn)象。而冷湖鎮(zhèn)在東半球獨(dú)特的地理位置，恰好填補(bǔ)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(dāng)然，讓天文望遠(yuǎn)鏡“落戶”，不可能一蹴而就。鄧?yán)畈沤榻B，就冷湖鎮(zhèn)地區(qū)的天文臺選址來說，科學(xué)家首先從多年來地面氣象臺網(wǎng)和衛(wèi)星云量的數(shù)據(jù)中，選擇了一個大致的適宜區(qū)域;然后實(shí)地踏勘，查看地形地貌、地質(zhì)條件等，例如是否有起伏明顯的高山，地質(zhì)條件是否利于修路;再調(diào)閱當(dāng)?shù)?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(jìn)行長期的定點(diǎn)測量。

要“看到”還要“看好”選址需考慮這些科學(xué)指標(biāo)

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

視寧度指的是大氣抖動對望遠(yuǎn)鏡觀測星象造成的模糊程度，選址地區(qū)的視寧度越低越好。視寧度的監(jiān)測往往采用差分圖像運(yùn)動監(jiān)測儀。這種設(shè)備根據(jù)所收集到星斑的運(yùn)動統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合大氣湍流的物理統(tǒng)計(jì)模型，就可以反演出臺址上空大氣的視寧度。

決定地基光學(xué)紅外望遠(yuǎn)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(tǒng)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?yàn)闇y量的是來自目標(biāo)天體光子的絕對數(shù)量，所以一旦在觀測目標(biāo)和望遠(yuǎn)鏡之間出現(xiàn)云，到達(dá)望遠(yuǎn)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(dá)光子的絕對數(shù)量，只要有來自天體的光能被接收，而且強(qiáng)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(diǎn)影響。

所以，天文學(xué)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(nèi)無云或者少云的情況被稱為光譜夜。

馮麓認(rèn)為：“一個臺址是否優(yōu)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(biāo)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?？沙两邓恳草^低。水汽的指標(biāo)測量較為復(fù)雜，往往需要在紅外和射電多波段同時進(jìn)行探測，根據(jù)探測結(jié)果，結(jié)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(shù)之間的關(guān)系，在能‘看到’天體的基礎(chǔ)上‘看好’才行。”馮麓說。

為了讓天文望遠(yuǎn)鏡盡可能不受環(huán)境的影響，近年來科學(xué)家也在嘗試將自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡中。

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

“但無論如何，下一代地基光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡最大的特點(diǎn)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(shù)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(fā)揮望遠(yuǎn)鏡性能。”馮麓說。(記者金 鳳)

關(guān)鍵詞： 光學(xué)天文臺 科學(xué)指標(biāo) 晴夜數(shù) 天光背景亮度