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冷湖,这里有欧亚大陆最澄澈的星空
冷湖,这里有欧亚大陆最澄澈的星空
2021-08-26
mclkw8
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以及中国天文学的未来

在射电天文快速发展的同时,我国地基光学天文的发展却落后于世界水平,重要原因之一是我们缺乏合适的天文台址 。而昨天在《自然》杂志上发表的一篇论文告诉我们,整个欧亚大陆上最优秀的天文台址,就在青海冷湖的赛什腾山。

#青海冷湖发现国际一流光学天文台址#

撰文|王昱

审校|邓李才(国家天文台创新团组首席研究员)

“太差了,根本看不了!”

邓李才在回想起2017年在德令哈市的观测时感叹道。紫金山天文台青海观测站位于青海德令哈市,其建立目的是保证其中13.7米射电望远镜的射电观测。但在光学波段,这个台址对天光背景的保护并不到位。伴随着德令哈市的快速发展,等到2017年邓李才开展观测时,观测站在德令哈市方向的天光背景已经增加了1000倍,直接影响了观测质量,对他负责的项目而言,形成了极大的困难。而中国光学天文的发展对新台址的需求也迫在眉睫。与此同时,国家十三五准备立项的12米光学/红外望远镜的选址工作已经展开,当时确定的候选目标是西藏的阿里、新疆的帕米尔高原和四川西部地区。

严重滞后的光学天文

近年来我国射电天文快速发展,FAST更是成为了世界上最大的球面射电望远镜,取得了不俗的成果。但是对天文学而言,射电只是电磁波谱长端的一小部分,而天文上更多的成果是由光学波段,或其附近的红外、紫外波段实现的。将红外和紫外天文也纳入光学天文的范畴的话,满天繁星中每一颗的辐射都集中在光学天文的范畴内。

但我们的地基光学天文是非常滞后的。对光学望远镜而言,口径是一个非常重要的参数。而我国的光学最大的通用光学望远镜口径仅有2.4米,仅有郭守敬望远镜(LAMOST)口径达到了4~6米级,但LAMOST是光谱巡天望远镜,难以进行成像观测。1948年时,美国的海尔望远镜的口径就已经达到了5米,我们今天的光学望远镜已经滞后了太多太多。

大型光学望远镜很难建,但对我们而言,阻碍最大的并非是望远镜建造本身,而是不知道能将望远镜放到哪里。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。另一个不确定性在于,即使一个台址在选址时的条件非常令人满意,但随着经济的发展,人造光源的污染都会对其造成不可忽视的影响。在德令哈,情况就是如此。

在机缘巧合下,邓李才的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。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。一路颠簸,在将将入夜时越野车队终于抵达了赛什腾山脚下。邓李才下车,抬头仰望星空:“我们可能找对地方了。”

世界顶级台址

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。“哪有什么困难,困难都是等待去克服的,乐观一点。”邓李才笑道。后来为了进一步考察,他们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,他们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,以空气指数PM10为代表)等数据。同时,他们用气象数据拟合了可靠的可沉降水汽指标等数据。他们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,选址团队一直都欢迎学者自行分析评价,但用数据开展研究工作需征询选址团队的意见。

自2018年3月以来,这些仪器几乎一刻不停地收集各项数据。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。70%的优质晴夜占比,0.75的角秒的视宁度中位值,夜晚温度变化范围中位数也仅有2.4℃,还有更多数据。综合分析证明,这个天文台址是世界顶级的。

地球上最好的天文台址位于南极冰穹,特殊的地理位置决定了那里具有亚空间级别的观测条件,但随之而来的观测成本也是亚空间级的。望远镜不断发展,除了口径在不断增加,在镜面后分析星光的仪器也愈发庞大,因此在空间和南极建设下一代大型望远镜是不现实的。《自然》杂志的科学编辑比喻道:“你不能拿一个苹果和一个橘子进行比较,你应该拿一个苹果和另一个苹果进行对比。”

除南极外,美国夏威夷的茂纳凯亚火山(MaunaKea)、智利的帕瑞纳山(CerroParanal)等世界顶级的天文台址都位于西半球。稍次一级的西班牙拉帕尔马岛(LaPalma)位于西经15度,也非常接近西半球。青海冷湖几乎是整个东半球最优质的天文台址,或者说,是整个欧亚大陆上最优秀的天文台址。

在东半球建设顶级望远镜具有重要意义,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,西半球可能处于白天,当前的顶级台址根本无从观测。

壮美星空下的生存条件是严峻的,对植物如此,对人也是如此。赛什腾山4200米到4500米之间的海拔的确比较危险,但好在冷湖大部分地区海拔在3000米以下,只是赛什腾山拔地而起,在短距离内提升了一千多米。这样剧烈的高度变化一方面挡住了山下的风沙,另一方面给人员保障带来了极大的便利。毕竟,不足3000米时的高原反应远没有4000多米的危险。

星空下的未来

天文学家都热衷于大众科普,但他们的事业却不喜欢人们都聚集到天文台周围,因为随之而来的人造光源会让天文台的观测条件迅速恶化,就连当前世界顶级的天文台都难以幸免。曾经主持LAMOST银河系巡天研究计划制定的邓李才对天文台址观测条件的恶化深有体会,但他对冷湖这方面的前景较为乐观。

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。无人区自然不必担心人造光源,而且地方政府曾在2017年7月给选址团队带来一纸红头文件,承诺对冷湖全域进行暗夜保护。现在,在天文台址半径50公里以内任何新建的工业项目,冷湖天文观测基地都要参与评估,并可以执行否决权。

天文学家追随着星空建造天文台,爱好者们也会慕名而来。对于天文爱好者,邓李才表示:“爱好者和关注星空的旅行者不会去破坏冷湖星空的宁静。”天文台会强力助推冷湖基于星空和地貌的旅游资源,地方政府由此增加的收入反过来又能促进天文台的发展。天文学家也想获得更多经济支持,但天文台“只可远观,不可亵玩”。现在冷湖地区旅游基地的设置,也需要参考天文学家的意见。

冷湖这一优秀台址的发现,振奋了国内天文学家的精神。西华师范大学与国家天文台合作的50厘米双筒望远镜(50BiN)已经在赛什腾山天文基地展开了观测。还有众多天文望远镜正在建设当中。其中就包括清华大学的6.5米天文望远镜,正式名称为宽视场巡天望远镜(MUST)。

邓李才表示,将来LAMOST望远镜有可能会搬迁到赛什腾山。还在讨论中的12米或更大的光学望远镜,按照中国科学院领导的指示,原先“建在哪”,“何时建”的两个问题也只剩下了“何时建”一个。

正如邓李才所说,未来已来,冷湖不冷!请记住青海冷湖,赛什腾山,这里拥有整个欧亚大陆上最澄澈的星空。未来,人类探索星空的历史上,一定会有属于冷湖的一页。

选址成果的《自然》论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03711-z

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