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。而近日在《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。
"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。
兴隆观测基地。除开植被的影响,北京和天津的光污染也对其造成了很大影响 | 选址团队供图在机缘巧合下,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。"
冷湖雅丹地貌区星空全景照片 | 选址团队供图世界顶级台址
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。
选址团队首次登顶赛什腾山 | 选址团队供图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(Mauna Kea)、智利的帕瑞纳山(Cerro Paranal)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(La Palma)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。
夏威夷大岛上的茂纳凯亚天文台,荒凉干旱,没有植被 | 选址团队供图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......
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