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在青藏高原,为天文望远镜寻一个最理想的家

彭丹妮  2021-09-18 11:21:57
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中国科学家在青藏高原寻觅到一个 新的潜在天文观测点——冷湖天文观测基地 可以和美国夏威夷莫纳卡亚这样 举世公认的一流天文台址比肩

 

 

8月12日,青海冷湖,赛什腾C区在七夕前夕观测到的银河拱门。图/洪文瀚 IC

 

在青藏高原,

为天文望远镜寻一个最理想的家

本刊记者/彭丹妮

发于2021.9.6总第1011期《中国新闻周刊》

 

2018年5月,在一架直升机将国家天文台研究员邓李才一行人送往青海茫崖市冷湖镇赛什腾山头之前,位于“世界屋脊”青藏高原上这座海拔4200米的山峰尚未有人迹到达。不过,就在这片不毛之地,一大批天文望远镜即将在此“安家”,它有望成为下一个世界级天文台。

 

根据8月18日发表在《自然》杂志上的一篇论文,中国科学家在青藏高原寻觅到一个新的潜在天文观测点——冷湖天文观测基地,可以和夏威夷莫纳卡亚这样举世公认的极佳天文台址比肩。该研究由来自中科院国家天文台、西华师范大学、中国科学院地质与地球物理研究所、中科院紫金山天文台青海观测站等机构的研究人员联合完成。 

 

适宜建设光学天文台的地点在学界被称为台址。这项研究之所以重要,在于找到优质的天文台地址并不容易。这种资源是稀缺的,目前,国际一流的台址只有智利北部山区、美国夏威夷莫纳卡亚峰及南极内陆冰穹地区。拥有大面积极佳观测台址的智利,容纳了全世界68%的地基光学/红外、高频射电天文观测装置。

 

而中国,甚至整个东半球,此前都没有发现可以与之媲美的极佳台址,这成为制约中国光学天文学发展的瓶颈之一。

 

在无人之境寻找天文台

 

找到冷湖天文观测基地,是意料之外的惊喜。2009年,中科院国家天文台加入了国际恒星观测网络(SONG),需要搭建一个望远镜。为此,邓李才等人需要为这个望远镜找一个“家”,他们调研了中国西部的一些天文观测点,并花了五年时间进行确认,最终选定在青海省海西蒙古族藏族自治州(简称“海西州”)德令哈市的紫金山天文台青海观测站。

 

2013年,这台一米的望远镜已安置于此。但超出科研人员考虑的因素是,随着当地很快进入一个经济高速发展时期,到2017年,因快速的城市化,德令哈的亮化程度已经增加了近1000倍,直接影响了该望远镜的观测。就在这一年,同样位于青海海西州的冷湖镇政府工作人员找到他,谈起冷湖优质的星空和雅丹地貌地质环境——当地可能具备成为天文台台址的潜力,希望引进天文项目。

 

在地面建的天文观测装置,按波段分为射电望远镜和光学望远镜。光学望远镜工作在可见光波段,口径越大越好。而射电望远镜是工作于电磁波谱长端的那部分,所以不受阴雨天、黑夜的限制。位于贵州黔南喀斯特洼坑中的500米口径球面射电望远镜(FAST)于2016年落成后,使中国已经拥有了目前世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

 

但在光学天文观测上,中科院院士、国家天文台台长常进告诉《中国新闻周刊》,中国跟国际上的差距很大,因为全球10米级别的光学望远镜已经有10个左右,而中国目前最大的通用光学望远镜口径仅有2.4米。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,不能进行成像观测。大型设备未来有了资金和能力可以解决,但是,常进指出,没有好的台址,建再好的望远镜也发挥不出应有的效果。

 

欧洲、美国的光学天文世界领先。邓李才是近期发表于《自然》那篇论文的第一作者。他告诉《中国新闻周刊》,欧洲非常重视天文学的发展,欧洲16个国家早在1960年代就组建了欧洲南天天文台(ESO),并在南美洲的智利建设优良的天文台,到了1980年代,则开始为下一代的、8米级别望远镜进行天文台选址。

 

无论是中国的第一个现代天文台南京紫金山天文台,还是位于河北承德的兴隆天文观测基地,邓李才指出,早期的天文台选址都因为太靠近城市,受到光污染以及空气污染,不再适宜口径更大、灵敏度要求更高的新一代望远镜。另一方面,地基天文观测受到大气厚度影响,海拔越高,大气越稀薄,受到的影响就越小。

 

进入21世纪之后,中国天文学家们开始在青藏高原这样的高寒处寻找新的天文台基地。2003年,国家天文台启动中国西部天文战略选址项目。2016年,国家12米光学红外望远镜(LOT)项目立项,并开启选址工作,当时确定的候选目标是西藏的阿里、新疆穆斯塔格山峰和四川西部稻城地区,这三个选址,有两处位于青藏高原,一处位于帕米尔高原。但因为各种原因,12米望远镜的台址没有最终确定。

 

要么靠近边境,要么被横断山脉阻拦。相较而言,冷湖更有区位优势。邓李才分析,冷湖同样处在青藏高原地区,但位于甘肃、青海、新疆三省区交界处,并不算太偏僻,其250公里开外是旅游城市敦煌,而敦煌拥有机场、高铁、公路,便于大型装置的运输。

 

从气候上来看,冷湖地区日照充沛、降水极少、寸草不生、星空明澈。研究小组分析了这里过去30年的天气记录,发现该地区每年的降水量只有18毫米,而年日照时间有3500小时,这些数据对于天文学家来说,堪称“惊艳”:拿日照时长来说,相当于12个小时的白昼里,平均每天就有10小时日照。

 

邓李才说,实际上,上世纪80年代末~90年代初,中国曾开展过青藏高原的资源普查,其中就包括未来是否可以建天文台。冷湖因大面积风蚀地貌和比邻塔克拉玛干沙漠,被认为风沙太大,因而被排除。事后看来,情况并非如此。他们团队实地勘察后发现,冷湖选址点与其下方的柴达木盆地有1000米以上的高差,沙尘很难到达山顶,即便是山脚发生沙尘暴,山顶上的天空依然湛蓝。

 

冷湖曾是中国重要的石油产地,最繁华时,这座因石油而建的小镇人口多达10万。随着上世纪80年代石油资源枯竭,冷湖日渐萧条,如今大约只有100来人常住在此。人烟稀少,也就意味着不用担心光污染问题。2017年7月,当冷湖官员邀请邓李才去冷湖考察天文台建设的可能性时,因为德令哈天文台的经历,邓李才还是有些顾虑,不确定冷湖未来会不会重蹈覆辙。一个星期以后,一位执着的地方干部拿着红头文件来找他,承诺冷湖将全域设为暗夜保护区,规范企业、市政和家用灯光,打消了他的顾虑。 

 

当时,恰逢中山大学有一个大型探测引力波空间项目,地面需要配套一个6.5米望远镜。邓李才的团队便参与进来,希望用几年的时间,论证冷湖是否可能成为优良的台址。万事俱备,他们开始在冷湖寻找海拔4200~4500米的山峰,最终将范围缩小至冷湖赛什腾山区4200米海拔一处峰顶。

 

 

 

2018年初冬,青海冷湖,邓李才在赛什腾山登山考察。图/田才让 IC

 

世界一流台址“出炉”

 

2018年1月份,邓李才团队的选址研究工作正式开始。首先是修通往山顶的路。因为是石头山,三四个月过去,却只铺出来两公里路。等下去不是办法。2018年5月,海西州用当地一架直升机将研究团队的人员送到选址点,此后又用直升机吊运了必要的基建材料和设备物料。从冷湖镇到选址点的砂石路直到2019年9月才修好。

 

2018年10月,所有设备都搬迁到山顶监测点,数据收集工作开始。到2020年底,项目组将三年来的数据汇总、分析,结果发表在《自然》期刊上。从各项指标看来,当初对冷湖选址点的初步判断是正确的。视宁度是最受关注的参数。望远镜视线方向的无规律大气湍流会扭曲来自天体的光线,这就是视宁度,视宁度越小,观测质量越好。当人们看到星星“眨眼”越频繁,说明视宁度越差。

 

监测数据显示,冷湖观测点优于青藏高原其他选址点,与世界一流的美国夏威夷莫纳卡亚山、智利帕瑞纳山观测点以及稍次一级的西班牙拉帕尔马岛三个台址相比,冷湖的视宁度与莫纳卡亚山相同,均为0.75角秒,比帕瑞纳山(0.80角秒)和拉帕尔马岛(0.76角秒)的视宁度更好。0.75角秒,是眼睛分辨不了的非常小的光线扭曲角度。

 

此外,赛什腾的夜间温度起伏的中位值仅为2.4℃,这意味着地面层的大气非常稳定。该区域的风以西北方向为主导,风速的中位值为4.5米/秒。“综合各种台址监测数据分析,这是一个世界级的天文观测台址。”邓李才表示。 

 

邓李才说,2020年初,他们团队收集到的数据已经有两年的跨度,冷湖台址的优越性已经初步体现出来,在天文学界引起了注意,一些天文项目决定在此建设:包括中国科技大学的2.5米巡天望远镜、中科院国家天文台的1米SONG望远镜和1米太阳中红外望远镜、西华师范大学的50Bin双筒望远镜、中科院地质与地球物理所的1.8米和80厘米行星观测望远镜等等。

 

2021年5月,青海省和清华大学签署协议,将用7年左右的时间,在冷湖建设一架口径6.5米的宽视场(光谱)巡天望远镜(MUST);6月26日,中科院紫金山天文台多应用巡天望远镜阵(MASTA)也在冷湖基地正式开建,用于近地天体的搜寻和研究,该天文台副台长说,冷湖将作为紫金山天文台最重要的基地。中科院国家天文台正在谋划将LAMOST望远镜搬迁到冷湖。

 

将落户冷湖的大大小小的望远镜数量已经有30个,到明年年底,邓李才说,当这批望远镜陆续完成“安家”,冷湖台址将会超过国家天文台兴隆观测站,成为中国最大的天文台。

 

中科院国家天文台研究员苟利军告诉《中国新闻周刊》,天文学是一个实测性的学科,设备可以说最为关键。他记得,一位有名的美国科学家曾经说过,95%的天文学发现,尤其是突破性发现,都得益于观测设备的提升,剩下的5%,才依靠的是智力上的突破。

 

他进一步指出,过去20年间,随着经济发展,中国对于天文学观测设备的投入越来越多,已经形成一股热潮,但是把这些望远镜放在什么位置,是大家近来讨论的一个重点。美国、日本和欧洲的一些国家,都把望远镜安置在智利的顶级天文台。中国如果也采用这种办法,费用会非常高昂,因而,在国内找到非常优异的台址非常重要。

 

早在12米望远镜(LOT)于2016年立项之前,中国天文学界已经就建设一台大口径光学红外望远镜进行了多次呼吁。中国科学院国家天文台台长常进说,一旦LOT项目得到国家发改委批准,冷湖观测基地将是一个重要的候选地址。天眼FAST的投资为6.5亿,相比之下,12米口径的光学望远镜大概需要花费20亿。

 

当中国找到比较好的台址,大型望远镜建设项目也越来越多。除了12米大口径望远镜,中国还需要建4、6米这类中间口径的望远镜。一个问题是,国内天文学界的科研实力是否跟得上硬件的投入?对此,苟利军认为,这是一个互相促进、循序渐进的关系,过去的模式通常是依靠国际合作、利用国外先进设备来培养人才。不会因为中国拥有顶尖设备,科研实力就立刻匹配得上,但这也不意味着,中国就不应该兴建先进的大型科研装备。

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