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        天文科普:何處星空最燦爛 ——中國大型光學天文臺定址青藏高原
        發布時間:2022-08-03
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        仰望星空是人類最古老的行為,但真正用望遠鏡探索星空卻只有400多年的歷史。在這400多年里,人類對宇宙的了解有了突飛猛進的進展,與此同時,也克服了不少技術上的難題,其中一項就是如何為望遠鏡尋找一片明凈的天空,讓人類探索宇宙的視線暢行無阻。

        高質量的天文觀測并不是隨處都可以進行的,它對大氣的要求十分苛刻,需要空氣極為透明和寧靜。我們都有這樣的體驗,天上的星星經常會“眨眼睛”,這是大氣抖動造成的,這種抖動對天文觀測很不利。此外,還有眾多的苛刻要求,例如污染少、晴日多、空氣中水汽和塵埃絕少等等。因此,要獲得一個高質量的天文觀測點并非輕而易舉,它是天文學家們夢寐以求但又并非輕易就能實現的目標。尤其是在人類社會工業化高度發展的今天,實現這一目標變得尤為不易。

        2021年8月,我國科學家宣布了一項重大科學進展,天文學家們克服重重困難,經過不懈努力,在青海省成功發現了一處優良臺址——青海冷湖臺址。冷湖是青藏高原上的一個湖泊,位于我國青海省北部阿爾金山南麓的戈壁灘上,因湖得名的冷湖鎮亦坐落于附近??茖W家們在冷湖鎮附近找到了這個非常理想的天文觀測點,它位于冷湖賽什騰山區一座海拔4200米的山峰上。尋找優良的天文臺臺址需要不畏艱難的頑強精神和嚴謹的科學態度。

        自2018年1月起,中國科學院國家天文臺的研究團隊就對冷湖地區的各項參數進行了連續監測,這種監測一直持續了3年。結果表明,冷湖地區日照豐沛、降水稀少、夜空晴朗,由于地勢高,地面風沙對4000 米以上的地區亦沒有影響。同時,歷史記錄的天氣條件也非常理想。因此,科學家們認為,這里的觀測條件具備世界一流的視寧度和承載我國未來重大天文科學設施的潛力,堪稱“世界級的天文觀測臺址”,可以與夏威夷莫納克亞這種舉世公認的最佳天文臺臺址比肩。

        青藏高原有著世界“第三極”之稱,是國際天文學界的向往之地?,F在,我國科學家們終于在這里找到了最優良的天文觀測臺址,從而實現了全球天文學家們的共同愿望。這一成果,打破了長期制約我國光學天文觀測發展的瓶頸,為我國光學天文學、行星科學和深空探測等學科的發展創造了重大機遇。

        優良臺址成就地基天文學的輝煌

        今天,天文學已經進入多信使多波段時域時代,人們不僅用可見光觀測宇宙,也用其他多種人眼看不見的光觀測宇宙,包括射電波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線等。為此,望遠鏡已經不限于傳統的地面望遠鏡了。太空望遠鏡也每時每刻都在將它們探索宇宙的視線投向深空。

        然而,即使在今天,地面望遠鏡也仍然是天文學研究的主力軍,這是因為太空望遠鏡建造成本高,發射和操作的技術難度大,在口徑和觀測能力上依然受到限制,所以,在可以穿透大氣層的波段上,人們依然主要依賴地基天文望遠鏡觀測宇宙。具體地說,可見光、射電波和一部分紅外線能穿透地球大氣抵達地面,地基望遠鏡在這些波段上均大有作為。事實上,正是因為有了大型地面望遠鏡,人類對宇宙的認識才有了長足的進展。

        1917年,人們在威爾遜山天文臺建造了口徑2.5米的胡克望遠鏡,這是當時最大的天文望遠鏡。威爾遜山位于美國加利福尼亞州帕薩迪納附近,海拔1742米,那里視野開闊,大氣穩定,非常適合天文觀測。胡克望遠鏡建成后不久,美國天文學家埃德溫·哈勃來到威爾遜山開始用胡克望遠鏡研究宇宙。當時很多人都認為,“仙女座星云”只是一團“星云”,它存在于銀河系中,而銀河系也非常特別,它在宇宙中是獨一無二的。然而,埃德溫·哈勃借助胡克望遠鏡看到了“仙女座星云”中的恒星,這說明仙女座星云不是一團“云”,它是由一顆顆星星組成的,是一個和銀河系一樣的“星系”。

        威爾遜山天文臺

        而且,埃德溫·哈勃還通過仙女座星云中的“造父變星”未來中國天文學發展的重要保障判斷出這個星系遙遠地存在于銀河系之外。原來銀河系并不特別,它只是宇宙中一個普通的星系。埃德溫·哈勃對星系表現出濃厚的興趣,他利用胡克望遠鏡研究了很多星系后,發現幾乎所有星系都呈現出紅移。這說明宇宙中的所有星系都正在離我們遠去,而且,星系遠去的速度和它們與我們的距離很有關聯:越遠,它們背離我們的速度就越快。于是,埃德溫·哈勃明白了,星系的退行速度是與它們的距離成正比的。

        原來,宇宙正在膨脹之中,它不是靜止的,每時每刻都在演繹著運動、變化、誕生和死亡,這一發現改變了人類對整個宇宙的看法。胡克望遠鏡的卓越表現激勵了天文學家們,此后,地基望遠鏡的發展便進入了快車道,各種大型地基望遠鏡層出不窮。它們坐落于觀測條件理想的地方,例如位于海拔4206米的莫納克亞火山的莫納克亞天文臺,凱克望遠鏡、“昴”望遠鏡和雙子北望遠鏡等都安裝于此。

        智利的歐洲南方天文臺始建于1962年,那里安裝有令人驚嘆的巨鏡——甚大望遠鏡。它坐落在海拔2632米的帕瑞納山上,那里氣候干燥,夜空晴朗,非常適合天文觀測。經過多年的計劃和建造,大雙筒望遠鏡終于落戶在美國亞利桑那州海拔3190米的格雷厄姆山上,那里遠離大城市的燈光,水汽和塵埃極為稀少,是非常理想的天文觀測點。自20世紀90年代起,人們在西半球架起了十幾座8至10米口徑的大型望遠鏡,這一宏偉舉措大大推動了天文學的發展。

        莫納克亞火山的莫納克亞天文臺

        未來中國天文學發展的重要保障

        在這樣的背景下,我國的地基望遠鏡的建設也在不斷發展之中。在光學望遠鏡家族中,我國已擁有2.16米口徑望遠鏡,位于國家天文臺興隆觀測站;2.4米口徑望遠鏡,位于云南天文臺麗江觀測站;而口徑更大的LAMOST是一臺4~6米級的光譜巡天望遠鏡,同樣位于興隆觀測站。LAMOST 后來被正式命名為“郭守敬望遠鏡”,是世界上最大的大視場望遠鏡,堪稱能干的“星空巡視員”。它具備星空的“普查”功能,但不具備成像觀測能力。

        郭守敬望遠鏡

        無論是紫金山天文臺、云南天文臺,抑或是國家天文臺興隆觀測站,這些早期落成的天文臺都適應了當時的觀測需求。然而,隨著時間的推移,天文學家們需要將下一代天文望遠鏡的臺址確定在更加理想的地方,這就要求天文學家們真正按照國際標準尋找臺址。

        這項工作從2000年左右啟動,從那時起,中國天文學家將視線投向了我國的西部。2016年,《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》正式公布,大型光學紅外望遠鏡被列入優先啟動的10個項目之列,從而明確了“優選臺址,并建設一架12米級口徑光學紅外望遠鏡”的目標。這是一個沖刺光學極限探測能力的宏偉計劃。假若有了12米級口徑光學紅外望遠鏡,我國天文觀測的綜合能力就能得到大幅提升,從而有助于躋身國際領先行列。

        同時,此項目也能為相關領域的前沿研究提供重要支撐,帶動我國先進光學技術的創新發展?;谶@個原因,我國科學家開始以滿足12米級口徑光學紅外望遠鏡的標準進行天文臺的選址工作。冷湖位于我國的腹地,作為未來的大型天文臺臺址,冷湖觀測基地具有發展良好交通設施、建設可靠后勤保障和科研基地的條件?,F在,隨著專家們的認可,一些項目開始落戶冷湖觀測基地。2021年5月,總投資達2 億元的中國科學技術大學—紫金山天文臺2.5米大視場巡天望遠鏡項目落戶冷湖。建成后,這架望遠鏡將成為北半球時域巡天觀測口徑最大、能力最強的望遠鏡。

        與此同時,青海省政府與清華大學簽署了總投資約13億元的“寬視場巡天望遠鏡(MUST)”項目合作協議。而西華師范大學與國家天文臺合作的50厘米雙筒望遠鏡已經進駐,并已開始工作。從已經建成和正在建設的項目來看,冷湖將成為我國規模最大的天文臺,它也將成為世界天文觀測的重要資源。尤為重要的是,它為未來中國天文學的大踏步發展提供了重要保障。

        目前,全球地基大型望遠鏡多集中在西半球,這種分布的不均衡制約了天文學的發展。這是因為天文觀測常需要時域、空域的接力觀測,而東半球缺乏優良的大型觀測臺就難以很好地完成這種觀測。如今,冷湖觀測基地的出現將改變這種窘境。我國大型光學天文臺的建立,不僅將為我國天文學的發展帶來重大機遇,同時也必將為全人類探索宇宙奧秘的偉大事業作出重要的貢獻。

        雪后夕陽下的賽什騰,天文臺籠罩在落日余暉中。(圖片來源:中國國家天文臺)



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