天文探測“目光”越來越深邃 天文臺選址偏愛“苦寒高原”

青海省西北角的冷湖鎮，正在成為全球天文界的焦點。這里的賽什騰山，最高海拔4576米，距離敦煌約250千米。

自2018年1月至2020年底的近3年，這塊干旱少雨、日照強烈的區域，吸引一批批科學家紛至沓來，他們不時仰望星空，試圖從云量、夜空背景亮度、氣溫、壓力、濕度、風速和方向、灰塵、可降水量等數據中抽絲剝繭。目的只有一個，為未來的望遠鏡尋找一處適合安放的新家。

結果足以令科學家們欣慰。

近日，中國科學院國家天文臺、中國科學院大學、西華師范大學、中國科學院地質與地球物理研究所、中科院紫金山天文臺青海觀測站等團隊的研究人員在《自然》雜志發表研究成果。他們發現，賽什騰山C區4200米的海拔標高點的光學觀測條件，在光學紅外天文觀測性能方面，可以比肩國際一流光學紅外天文臺址。其中，反映影響地基望遠鏡成像質量的視寧度指標的中值為0.75角秒，這個參數與國際最佳臺址數據大致相同。

選臺址可能是天文領域中最艱苦的工作之一。建國初期，我國的夜天文臺址只有位于南京市的中國科學院紫金山天文臺和上海市的佘山觀測站(現為上海天文臺佘山工作站)。上世紀九十年代，我國開始部署在西部地區進行選址。

目前已知的世界上最好的天文臺址包括以美國夏威夷莫納克亞山為代表的海島高山型，以智利塞羅·帕拉納地區為代表的海岸邊高聳山脈型，和以南極為代表的極地型。但內陸是否存在能與之比肩的優秀臺址，尚未可知，而賽什騰山C區的發現，給出了一個答案。在每一處臺址背后，都有一串大數據的支撐，除了需要考察地形、地質、運行支撐等，還需考慮諸多天文觀測的相關影響因素，包括晴夜數、視寧度、氣象條件等指標。

2020年冬季賽什騰雪后的夕照，整個天文臺籠罩在落日余暉中，遠處是遼闊的柴達木盆地。鄧李才攝

天文探測“目光”越來越深邃，天文臺選址偏愛“苦寒高原”

400多年前，當伽利略用望遠鏡第一次看到月球和木星時可能不會想到，在今天的城市中，已經很難找到一塊夜觀星象的寶地。

“古老的天文臺，例如英國格林尼治天文臺、伽利略工作過的意大利帕多瓦天文臺，都建在城市里或近郊。在它們建設的時代望遠鏡口徑很小，觀測也主要以目視為主，而且那時城市幾乎沒有光污染。”鄧李才介紹，天文學發展到近代，逐漸開始重視選址，而天文臺的臺址，也在不斷遠離城市。

鄧李才說，地基天文觀測都是透過地球大氣進行觀測，大氣中的物質會吸收來自天體的信號。臺址上空的大氣越薄吸收就越少，因此需要去海拔盡可能高的地方選址。選址還需要遠離人造光源，因為大氣中各種因素產生的散射會嚴重影響天文觀測。

人類活動不僅制造了更多的光污染，也讓尖端的地基光學紅外望遠鏡直面更多挑戰。中國科學院國家天文臺副研究員馮麓告訴科技日報記者，“現代的光學紅外望遠鏡在靈敏度和波長覆蓋范圍方面，要比以前強得多。望遠鏡的聚光能力越來越強，也就意味著它們不僅能捕捉星光，也會將城市燈光一起收集進來。而未來觀測的天體目標越來越深，這也就意味著在地面觀測的時候它們本身就會很暗。所以就要避免城市的光污染，到更遠、更偏僻的地方。”

上世紀九十年代，天文學家在我國西部開展了-系列臺址探查和監測工作。云南天文臺的高美古觀測站、新疆天文臺的南山觀測站、青海的德令哈觀測站就誕生于這一時期。這些臺站的海拔高度普遍在2000到3000米左右,相對于海拔僅有900米的河北興隆觀測站,能避開1000到2000米的大氣湍流，視寧度也就更好，更有助于發揮望遠鏡的成像能力。

為了應對未來更大口徑望遠鏡建設的需求，我國在2003年前后集中力量對青藏高原和帕米爾高原開展選址。西藏的烏瑪、噶爾，新疆的卡拉蘇這些海拔都在3000-4000米左右的臺址都是在這期間涌現出來的。

天文臺址這么定：海選、踏勘、精測

夜空中，我們人眼目力所及的繁星90%以上都是銀河系內的恒星。所以如此，是因為這些恒星離我們較近。

由于地球自轉軸和銀盤存在一個夾角，所以在實際看天的時候，南半球所對應的南天可以看到更多銀河系內的天體;而在北半球對應的北天，銀河系遮擋較少，借助望遠鏡也可以看到銀河系外和銀盤外的天體。

對于天文學家而言，無論是銀河系內還是系外的天體都有重要的研究價值。馮麓說，“對于大口徑望遠鏡的建設而言，地理位置的考慮更多的出于天文臺自身的傾向性，比如美國的天文臺偏向于在北半球自己領土內建設望遠鏡，而歐洲南方天文臺從建臺之初就是要在南半球設立自己的觀測基地等。”

“最近幾年，國內外天文學界對青藏高原的關注度很高。因為海拔高度越高，大氣厚度越薄，天體穿透大氣的路徑就越短，青藏高原是地球第三極，具備天然的地理優勢。”鄧李才說，此外，尋找系外行星上的生命跡象，捕捉電磁引力波爆發和太空偶發的瞬間發生的天體物理事件，望遠鏡就必須盡量均勻地分布在全球各地，以在有限的時間窗口中精確觀測、驗證。而冷湖在東半球獨特的地理位置，恰好填補了莫納克亞山、阿塔卡馬沙漠和加那利群島三地天文臺之間在地理上的巨大鴻溝。

判斷在哪里給天文望遠鏡安家，不可能一蹴而就。鄧李才介紹，就冷湖地區的天文臺選址來說，科學家們首先從多年來地面氣象臺網和衛星云量的數據中，選擇了一個大致的區域;然后實地踏勘，看地形地貌、地質條件，例如是否有起伏明顯的高山，地質條件是否利于修路;又調閱當地三個氣象站近30年的氣候記錄，查看這里的年平均降水量和年日照時間。在確定大致可行之后，再進行長期的定點測量。

“陡峭的山峰、海拔較高的海島、荒漠都是很好的臺址侯選地。”鄧李才說，風遭遇起伏明顯的高山時，會形成垂直氣流，從而降低大氣湍流對觀測設備的影響;海拔2000米以上的海島，或高于積云層，更高的卷云相對少，因此具有更高的晴天概率;而荒漠地區干旱少雨，沒有植被，水汽較少，本地成云的條件差，也有利于天文觀測。

用大數據支撐科學指標，為選址做“高參”

光學天文臺的選址，需要考慮諸多科學指標，比如晴夜數、天光背景亮度、視寧度以及涉及氣象條件的風力、顆粒物、水汽等指標。這些指標是如何收集的，它們又將如何決定遴選地的命運?

先來看視寧度。大氣抖動對望遠鏡觀測星象造成的模糊程度，就是視寧度。視寧度越低，天文觀測圖像的成像清晰度越好。

視寧度的監測往往采用差分圖像運動監測儀的設備。這種設備根據所收集到的星斑的運動統計結果，結合大氣湍流的物理統計模型，就可以反演出臺址上空大氣的視寧度。

決定地基光學紅外望遠鏡能否看到天體的最重要的因素還包括云量遮擋。馮麓介紹，傳統天文觀測有兩種，一種測量天體的亮度，一種是測量天體的光譜。對于測光觀測而言，因為測量的是來自目標天體的光子的絕對數量，所以一旦在觀測目標和望遠鏡之間出現云，就會減少到達望遠鏡的光子。另外，云層厚的時候也有可能完全接收不到光子。而光譜觀測不需要測量到達的光子的絕對數量。只要有來自天體的光能被接收，而且強度足夠看到各條譜線的相對位置，這個觀測就是成功的。但如果觀測的天體比較暗，光譜可能也會受一點影響。

所以，天文學家在考察臺址的云量時，一般會把長時間(比如3到6個小時)在天頂方向很大角度范圍里不存在任何云的情況，稱為晴夜，或者測光夜。而在長時間較小范圍內無云，或者少云的情況稱為光譜夜。

馮麓認為，“一個臺址是否優良，首先要看的就是它的晴夜和光譜夜占全年的百分比。如果有云，還要看云的分布和有云的時間長短。”

此外，水汽是阻止紅外光穿透大氣的主要因素。評價大氣水汽含量的指標是大氣可沉降水汽含量。它表征了從地面到天頂大氣中水汽的總量，海拔越高越干旱。周圍植被越少的臺址通常可沉降水汽含量也會明顯較低。水汽的指標測量較為復雜，往往需要在紅外和射電多波段同時進行探測，根據探測結果，結合模型，反演出可沉降水汽含量的絕對值。

“不過，考慮一地是否適合做臺址，要綜合考慮各個參數之間的關系，在能‘看到’天體的基礎上‘看好‘才行。”馮麓說。

為了讓天文望遠鏡能盡可能不受環境的影響，近年來，科學家們也在嘗試將自適應光學系統應用于天文望遠鏡中。

馮麓介紹，自適應光學系統可以根據大氣湍流的特征，在望遠鏡光路中對接收到的天體畸變波前進行校正，盡可能降低大氣湍流對成像的影響。同時，為了實時探測大氣湍流，科學家會使用高性能的鈉激光，激發位于90-110千米高的高空中的鈉原子，使鈉原子產生共振熒光。共振熒光中后向發射的光子返回地面的過程中，會將大氣湍流照亮，科學家們就可以據此判斷大氣湍流的變化強度，既而進行校正。但這種技術又會受到鈉層在豐度和高度上地域和季節性變化的影響，同時還會受到像高空風速、地球磁場矢量等與臺址相關的因素的制約。

“但無論如何，下一代地基光學紅外望遠鏡最大的特點就是口徑大，觀測的天體也會更暗。這就要求天文臺臺址在保證可觀測夜數足夠的前提下，天空背景要更暗，湍流要更小，或者說視寧度越低越好，才能有效發揮望遠鏡性能。”馮麓說。

標簽： 天文，氣溫，選址，高原