近年來，我國射電天文快速發(fā)展，位于貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST是世界上最大的球面射電望遠(yuǎn)鏡。除了射電望遠(yuǎn)鏡，光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡也是天文觀測的利器。
早在2016年，12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LOT）就成為“十三五”時(shí)期我國優(yōu)先布局的10個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。然而，選擇放置這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址仍然是個(gè)懸而未決的問題。
《自然》雜志日前發(fā)表論文，介紹了我國科學(xué)家在青海冷湖地區(qū)發(fā)現(xiàn)國際一流光學(xué)天文臺(tái)址，論證了青藏高原可能是建造下一代大型望遠(yuǎn)鏡的合適選址。今天，我們邀請論文主要作者、我國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員鄧?yán)畈偶啊秇uan球科學(xué)》發(fā)文人王昱一起來聊聊天文臺(tái)選址的故事。
2018年冬季，在賽什騰C點(diǎn)建有兩個(gè)測試塔，分別測量白天和夜間的視寧度。這是工作時(shí)用手機(jī)拍攝的星軌，星空在地球轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中留下美麗的軌跡。鄧?yán)畈艛z
東半球建頂級望遠(yuǎn)鏡意義重大
在遠(yuǎn)古時(shí)期，我們的祖先憑一雙肉眼就開始了對滿天繁星的探索和想象。400多年前，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明真正超越了人眼，可以想象，當(dāng)伽利略第一次看到木星的樣子和圍繞木星的四顆大衛(wèi)星時(shí)該多么激動(dòng)。這應(yīng)該是人類歷史上正式記錄的第一次透過望遠(yuǎn)鏡的天文觀測！
因?yàn)樽匀坏脑颍覀儸F(xiàn)在理解的光學(xué)波段的天文觀測，一直主導(dǎo)了學(xué)科的發(fā)展。原因特別簡單_
人類賴以生存的大氣正好屏蔽了對地球生命有害的紫外光和大部分比光學(xué)波段更長的紅外光，大氣在波長更長的電磁輻射中又變得透明，使得我們可以與人造衛(wèi)星通訊。而宇宙中可以被看到的天體（恒星或由恒星組成的更大尺度的天體）發(fā)出的能量大部分就在光學(xué)波段。盡管我們現(xiàn)在知道的宇宙，絕大部分都不是我們可以看到的未知物質(zhì)（暗物質(zhì)或暗能量），但我們看到的這一小部分天體充當(dāng)了示蹤物，是天文觀測獲取信息的最主要來源。從這個(gè)意義上講，光學(xué)（包括紫外和紅外光）天文觀測在現(xiàn)代天體物理研究中是不可或缺的最重要手段。
為圖發(fā)展，我國的天文臺(tái)都在選擇新的地址建設(shè)觀測設(shè)備。比如云南天文臺(tái)在青藏高原東沿的橫斷山選址，從1992年到1998年，歷時(shí)6年監(jiān)測、評估之后，終于在麗江高美古建成了目前我國最大口徑的通用型望遠(yuǎn)鏡（2.4米）。二十多年來，我國的光學(xué)天文觀測就依賴興隆基地2.16米和高美古2.4米這兩臺(tái)通用型望遠(yuǎn)鏡，還有建于興隆基地的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）負(fù)責(zé)銀河系巡天，為我國在當(dāng)今的光學(xué)天文領(lǐng)域爭得了一席之地。
對光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言，口徑是一個(gè)非常重要的參數(shù)。目前我國光學(xué)最大的通用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑為2.4米，郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）口徑雖然達(dá)到了4～6米級，但LAMOST是光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，難以進(jìn)行成像觀測。而歐美和日本10米級別的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)進(jìn)入天文研究二十多年，目前還有三臺(tái)口徑30米以上的巨型望遠(yuǎn)鏡正在建設(shè)之中。2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)直接來自10米的外國凱克望遠(yuǎn)鏡和歐洲甚大望遠(yuǎn)鏡（8米的4臺(tái)）對銀河系中心黑洞的長期觀測。我們今天的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡滯后了太多。從更大一些的視野來看，目前世界上頂級的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡都位于西半球，從這個(gè)角度上說，在東半球建設(shè)頂級望遠(yuǎn)鏡也具有重要意義。如果天文學(xué)家需要觀測那些轉(zhuǎn)瞬即逝的目標(biāo)，那么望遠(yuǎn)鏡就必須盡量均勻地分布在全球各地。否則，在重要天體物理事件發(fā)生時(shí)，就有可能無從觀測。
夏威夷大島上的Mauna Kea天文臺(tái)。
2016年，我國光學(xué)天文的發(fā)展迎來了一個(gè)重大機(jī)遇_12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LOT）成為“十三五”時(shí)期優(yōu)先布局的10個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。國家有了資助天文學(xué)科發(fā)展國際水平設(shè)施的實(shí)力，天文家們倍感振奮之余，卻發(fā)現(xiàn)似乎并沒有準(zhǔn)備充分，其中的關(guān)鍵問題之一就是在哪兒放置這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。
光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡選址為何如此重要
要講述天文臺(tái)選址的故事，一個(gè)首先要回答的問題是_在當(dāng)今太空技術(shù)相當(dāng)發(fā)達(dá)的時(shí)代，為什么還要在地面建設(shè)觀測設(shè)備？
答案也很直接_由于技術(shù)的限制，我們不可能把超大型的設(shè)備送入太空，而大型設(shè)備和與之匹配的儀器在現(xiàn)代和未來天文學(xué)、物理學(xué)領(lǐng)域中探索極致問題時(shí)是不可或缺的。
第二個(gè)問題是，為什么對大型望遠(yuǎn)鏡設(shè)施的臺(tái)址那么挑剔？
地基天文觀測都是透過地球大氣進(jìn)行觀測，地球大氣中的物質(zhì)成分對來自天體的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生吸收，臺(tái)址上空的大氣越薄，吸收就越少，因此我們需要去海拔盡可能高的地方選址。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(huì)嚴(yán)重影響天文觀測。當(dāng)然，同時(shí)還要夜空晴朗，否則我們根本看不見星空。除此之外，地球的大氣是不穩(wěn)定的，沿望遠(yuǎn)鏡視線方向的無規(guī)律大氣湍流會(huì)扭曲來自天體的光線，這就是所謂的視寧度。對于現(xiàn)代和未來的大型設(shè)備而言，視寧度非常重要。
經(jīng)典的天文臺(tái)，比如聞名世界的英國格林尼治天文臺(tái)、伽利略工作過的意大利帕多瓦天文臺(tái)，都建在城市里或近郊。這些古老天文臺(tái)定址都是由科學(xué)之外的因素主導(dǎo)，在他們建設(shè)的時(shí)代望遠(yuǎn)鏡口徑很小，觀測也主要以目視為主，而且那時(shí)城市幾乎沒有光污染。現(xiàn)在看來，這些天文臺(tái)都成了歷史遺跡和地標(biāo)文物。
近代的天文臺(tái)逐漸開始重視選址。但凡專業(yè)的天文臺(tái)，其建設(shè)過程的第一步就是嚴(yán)格選址。天文臺(tái)選址是一系列因素的綜合考量，除了臺(tái)址本身的參數(shù)外，還包括天文望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)、資金預(yù)算、技術(shù)和運(yùn)維支撐等等。對天文臺(tái)參數(shù)的要求也是隨著技術(shù)的發(fā)展逐步提高，有時(shí)甚至是苛刻的，比如正在建設(shè)的超大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（外國牽頭的30米TMT和歐洲合建的39米E-ELT）臺(tái)址的選擇。
隨著城市現(xiàn)代化程度的提升和人口的增長，特別是望遠(yuǎn)鏡口徑的擴(kuò)大、探測設(shè)備靈敏度的提高和對科學(xué)目標(biāo)的重視，城市燈光對天文觀測的影響變得不可接受。紫金山天文臺(tái)、云南天文臺(tái)、興隆觀測基地等都因?yàn)槌鞘械牧粱艿搅瞬煌潭鹊挠绊憽?/p>
我們先來看看世界上最好的天文臺(tái)都是什么情況。南極的冰蓋之上，具有世界上最穩(wěn)定、最透明的大氣，這是逼近亞空間的觀測條件。當(dāng)然，選址以及后期的建設(shè)和運(yùn)行成本也是直逼空間設(shè)施，這是不利因素。除此之外，世界上頂尖質(zhì)量的臺(tái)址非常有限，比如夏威夷大島上的Mauna Kea天文臺(tái)和智利北部阿塔卡瑪沙漠地區(qū)的天文臺(tái)，還有相對次一等的西班牙加那利群島上的天文臺(tái)。
先不談臺(tái)址的觀測條件參數(shù)，這些頂級的天文臺(tái)從地貌上看就跟經(jīng)典的天文臺(tái)大不一樣。這些天文臺(tái)無一例外都是處于鮮有植被的干旱地區(qū)，看起來都是荒漠和裸巖。最佳的天文臺(tái)址一定是寸草不生的，因?yàn)楦稍餆o雨、大氣稀薄等望遠(yuǎn)鏡所需要的環(huán)境特征，明顯與植物的生存條件相悖；另一方面，植物蒸騰效應(yīng)帶來的水汽又會(huì)影響天文觀測質(zhì)量。
所以，我國現(xiàn)代天文臺(tái)選址的基本方向，就是走向高原、走向人跡罕至的地域。
青藏高原擁有無可比擬的地基天文觀測優(yōu)勢
對于規(guī)劃中的12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LOT）的選址，我們的選擇當(dāng)然不可能是已經(jīng)建設(shè)成熟的現(xiàn)有臺(tái)址，因?yàn)榧幢闶钱?dāng)前觀測條件最好的高美古，也無法充分發(fā)揮這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)能力。實(shí)際上，我國天文界未雨綢繆，針對將來可能的大口徑望遠(yuǎn)鏡的選址工作早在2000年就已經(jīng)展開，目標(biāo)就是青藏高原！
最初的選址工作異常困難，這可能是所有現(xiàn)代天文臺(tái)選址必須面對的。2009年國家天文臺(tái)加入了國際恒星觀測網(wǎng)絡(luò)（SONG）并建設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于經(jīng)費(fèi)的限制和項(xiàng)目對臺(tái)址相對較低的科學(xué)要求，我們選址了具有良好支撐條件的紫金山天文臺(tái)青海觀測站（位于德令哈市）。由于該站是一個(gè)射電天文基地，其光學(xué)參數(shù)不甚明晰，項(xiàng)目組花了5年的時(shí)間對青海站的光學(xué)觀測條件進(jìn)行了認(rèn)證，確認(rèn)那里可以滿足SONG的科學(xué)目標(biāo)要求。
始料未及的是，德令哈在10年后進(jìn)入了發(fā)展的快車道。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響SONG觀測的程度。
在機(jī)緣巧合下，我們選址團(tuán)隊(duì)受到青海省海西州冷湖地區(qū)政府的邀請，前往青海冷湖鎮(zhèn)尋找天文臺(tái)址，這是天文學(xué)家首次以選址的目的來到冷湖。
冷湖鎮(zhèn)在上世紀(jì)六七十年代時(shí)，曾因石油開采一度增長到10萬人口，但隨著石油資源逐漸枯竭，冷湖再度回到幾乎無人的狀態(tài)。
地基天文觀測受到大氣厚度影響，海拔越高，大氣越薄，受到的影響就越小。自然，世界屋脊青藏高原在這方面有著無可比擬的優(yōu)勢，但冷湖之前并沒有落入天文臺(tái)址的候選范圍_因?yàn)樗揉徦死敻缮衬由媳镜氐娘L(fēng)蝕地貌，前人擔(dān)心風(fēng)沙會(huì)對望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行造成影響。
不過，物理規(guī)律告訴我們，沙塵濃度應(yīng)該隨著高度而呈指數(shù)衰減，只要有相對隆起、足夠陡、足夠高的山地，沙塵對臺(tái)址就應(yīng)該不是問題。2017年10月，選址團(tuán)隊(duì)委托當(dāng)?shù)卣x出了幾個(gè)冷湖鎮(zhèn)附近的山峰，他們確認(rèn)鎮(zhèn)東部的賽什騰山滿足條件。
在選址團(tuán)隊(duì)到來之前，賽什騰山還是一座處女峰_未被人攀登過。在2021年7月山路貫通之前，選址團(tuán)隊(duì)想上山頂，通常只能靠雙腿攀登。后來為了進(jìn)一步考察，選址團(tuán)隊(duì)使用了海西州政府的直升機(jī)在山頂搭建觀測平臺(tái)，設(shè)置科學(xué)儀器。
僅憑肉眼的直覺是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法作為選址依據(jù)的，選址團(tuán)隊(duì)在山頂架設(shè)的一批科學(xué)儀器可以檢測氣象、晴夜占比、天文大氣總視寧度、天光背景，以及人們此前最擔(dān)心的風(fēng)沙（多種參數(shù)，以空氣質(zhì)量指數(shù)PM10為代表）等數(shù)據(jù)。同時(shí)，選址團(tuán)隊(duì)用氣象數(shù)據(jù)擬合了可靠的可沉降水汽指標(biāo)等數(shù)據(jù)，還專門建設(shè)了一個(gè)網(wǎng)站實(shí)時(shí)公開這些數(shù)據(jù)。公開選址數(shù)據(jù)是為了工作的可信度。
自2018年3月以來，這些儀器幾乎一刻不停地收集著各項(xiàng)數(shù)據(jù)。最終，選址團(tuán)隊(duì)將這些數(shù)據(jù)整理成論文，發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。
冷湖臺(tái)址區(qū)域的優(yōu)質(zhì)晴夜時(shí)間（天文上的測光夜）占比達(dá)70_，外加大約15_的部分有云的光譜觀時(shí)間，每年天文觀測可用的時(shí)間達(dá)300天。冷湖地區(qū)屬極度干旱地區(qū)。有研究顯示，在過去60年中，冷湖的年均降水12毫米，但蒸發(fā)量卻高達(dá)3000毫米以上。
我們的分析印證了歷史資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)論，這里夜間可沉降水汽柱密度在2毫米以下的時(shí)間占比優(yōu)于外國的Mauna Kea天文臺(tái)（54_），遠(yuǎn)低于智利和其他地區(qū)的大型光學(xué)天文臺(tái)。根據(jù)賽什騰山C區(qū)的實(shí)際測量，夜間臺(tái)址點(diǎn)氣溫起伏（峰谷差）中位值僅為2.5℃，這意味著地面層的大氣非常穩(wěn)定。該區(qū)域的風(fēng)以西北方向?yàn)橹鲗?dǎo)，風(fēng)速的中位值小于5米每秒。
對天文觀測而言，光學(xué)視寧度無疑是最受關(guān)注的臺(tái)址參數(shù)。光學(xué)視寧度的積分量，即總視寧度一般用DIMM獲得。在剔除熱門和天氣影響后，截至2021年12月31日的DIMM視寧度中位值為0.75角秒，與世界其他頂級天文臺(tái)相比，基本持平。
數(shù)據(jù)顯示，4200米的賽什騰山C區(qū)空氣質(zhì)量優(yōu)秀，而有限的幾次弱沙塵過程很容易防護(hù)，對天文觀測和設(shè)備沒有實(shí)質(zhì)性影響。
2021年七夕的銀河拱門，拍攝于施工中的賽什騰C點(diǎn)，賽什騰山臺(tái)址質(zhì)量的所有數(shù)據(jù)均在此采集完成。洪文瀚攝
2021年冬季賽什騰山天文基地建設(shè)現(xiàn)場雪后夕照，遠(yuǎn)處是遼闊的柴達(dá)木盆地。鄧?yán)畈艛z
冷湖地區(qū)天文觀測臺(tái)址的發(fā)現(xiàn)打破了長期制約我國光學(xué)天文觀測發(fā)展的瓶頸，不僅為我國光學(xué)天文發(fā)展創(chuàng)造了重大機(jī)遇，而且冷湖所在的地理經(jīng)度區(qū)域內(nèi)，尚屬世界大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的空白區(qū)，因此也是國際光學(xué)天文發(fā)展的寶貴資源。
隨著更多基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和進(jìn)一步測試的開展，相信今后冷湖將成為國際光學(xué)天文研究的重要基地，成為人類探索宇宙奧秘、培育原創(chuàng)性科學(xué)成果的重要策源地。
