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冷湖 | 星窥青海湾

来源:光明网2021-08-19 11:33

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  北京时间8月18日,国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台邓李才研究团队的一项重大科学进展。在青海省地方政府支持下,研究团队自2018年1月启动青海冷湖地区的天文选址工作。研究团队克服野外高海拔等重重困难,建成所有关键台址参数的测量平台,经过3年连续监测数据显示,冷湖台址的光学观测条件比肩国际一流大型天文台。这一发现为我国光学天文发展创造了重大机遇,也为国际光学天文发展提供了宝贵的战略资源。

  何处觅星光?选台址可能是天文领域中最艰苦的工作之一。城市快速发展,灯光污染、空气污染等都对天文观测造成影响,天文学家也将目光投向了条件更好的西部。2003年,国家天文台部署启动了重大科研计划——中国西部天文战略选址,针对我国西部地区潜在的优良天文台址进行考察和选择。

  除去对地形、地质、运行支撑等天文选址需要考察的内容外,台址选择还需考虑诸多天文观测的相关影响因素,包括晴夜数、视宁度、气象条件等……我国现代夜天文光学观测台址发展至今,诸多优秀台址破土动工,新的中大型望远镜即将落户!

冷湖 | 星窥青海湾

日落赛什腾山

  为什么偏偏是冷湖?

  青海,冷湖,赛什腾山,最高海拔4576米,此地不仅苦寒,而且干旱少雨、日照强烈。然而,越是这样的环境,越有可能成为观测天文学家的心仪之地。

  适宜设置光学天文台的地方被业界称为台址,需要多个指标的考量,比如晴夜数、天光背景亮度、视宁度,还有一些气象细节的要求,比如风力、颗粒物、水汽等指标。铺开包含这些信息的多维度中国的地图,可以发现一个显而易见的事实,满足光害少、晴夜多、视宁度好的区域,大多分布在西藏、青海、新疆南部、云南北部、川西一带。传统观点认为,我国最适合架设大型光学望远镜的区域位于青藏高原寒冷干旱的高原山地、新疆帕米尔高原和横断山区。然而位于青藏高原北沿的冷湖,却给了天文学家一个意外的惊喜。

  无人区中央的冷湖,曾经因为石油大开发成为资源型区域。随着石油资源枯竭和常驻人口的流失,冷湖处在了历史的转折点。冷湖政府规划利用冷湖的星空资源发展文旅产业,实现产业转型和可持续性发展。于是专程找到当时在德令哈工作的国家天文台找邓李才研究员商谈在冷湖地域开展光学台址的寻址的可能性。天文学界对台址的需求和地方发展的需求不谋而合。

冷湖 | 星窥青海湾

金色的夕阳,赛什腾山又迎来一个晴朗的夜晚

  赛什腾山,与狼共舞

  现代天文台所在之处,大多人迹罕至,其实相比于很多野外台站,位于冷湖的赛什腾山虽然险峻,但修建道路可实现良好的可达性。同时,冷湖与敦煌相距仅250千米,人员往来和运输成本低可控,这也是优良台址的要素之一。

  最初的勘测就是人与自然的故事。在直升飞机离开之后,只能靠人力,那时没有到山顶选址点的路径,第一次只能沿着山脊往上爬,极其危险。冷湖地方政府的田才让和邓老师的专门徒步登山,在蛮荒中标定路线,为后续的登山作业提供些许安全保障。高原缺氧,陡峭,积雪,山体表面风化的碎石,寒冷……都为攀爬带来的巨大的难度,每走一步都是跟自身极限的博弈。我是项目组爬山最多的一个,感受良多。相比之下,在4000多米、零下20多度的山顶安装设备、调试机器和执行观测任务这些貌似辛苦的活都变得不是个事儿。

  在早期勘测工作时,因为山上没有路,很多设备只能靠人力背负上山在爬山时,这帮天文学家,一个个都变成了重装野外探险家。

冷湖 | 星窥青海湾

作者在山顶进行技术维护

冷湖 | 星窥青海湾

顶着严寒收集数据,苦中作乐

  晴夜,星空的宁静

  通过监测我们发现赛什腾C点的气温在-25至15摄氏度之间,空气干燥,风速的中值4.1米/秒。大风会影响观测设备的稳定性,而相对较低的风速可以保证光学望远镜的正常工作时间。天光背景是衡量一个光学台址质量好坏的关键因素之一,背景越暗,望远镜才能发现更暗弱天体,如果天光背景太亮,那么就无法完全发挥出望远镜的观测能力。经过长期监测我们发现赛什腾山在无月夜天光背景亮度(SQM星等值)暗于22.3,即不存在人造光源污染,接近了地面天光背景的理论极限。

  同时由于赛什腾山地处无人区,最近的冷湖镇直线距离也有40千米,常驻居民堪堪过百,完全不存在城市发展导致的天光背景亮化的风险。我们对台址地从2018年4月至2021年6月23日的天光背景进行了持续观测纪录,并对夜间晴朗时间加以统计,统计结果显示接近83%的时间为可观测时间,足以保证未来的大科学装置的持续高效运行。

  视宁度是光学天文观测中极其重要的一个指标,反映了望远镜中星象的锐度。截至2020年12月31日,361258次合格的采样结果出来了:视宁度统计中值为0.75″!我们可以对比下,世界公认的最佳大型天文台包括南美洲阿塔卡马沙漠地区、夏威夷大岛和西班牙的拉帕尔马岛视宁度为0.6-0.8角秒,地球上最优的台址地在南极洲,极端视宁度中位数达0.3角秒。而一般光学天文台的视宁度都比1角秒还要差。

  得知冷湖的选址结果,国内望远镜建设的专家看到这些数据颇为兴奋。85岁高龄的苏定强院士坚持前往冷湖,要亲眼看看视宁度是否像测量的那般优良。那天晚上,赛什腾山上架起了30厘米口径的视宁度监测望远镜。助手们没有安装数字后端,而是为苏院士专门配上了目视用的目镜。目镜中,土星环锐利、星像稳定,6个衍射环清晰可见。苏院士感概:巡天不愁矣!

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已建成的圆顶,夜空中斗转星移

  开门宴宾客

  台址参数的优势,尤其是卓越的视宁度,让冷湖观测站名声在外。很快,1.8米大口径行星望远镜TINTIN就确定落户于此。有了赛什腾山上优良视宁度的加持,这种专用于高分辨成像的望远镜有了用武之地。利用星冕仪装置,可以对行星以及卫星的大气活动结构进行监测,还可以得到行星大气环境的观测结果。

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已建成的50BiN望远镜

  早在十余年前,西华师范大学的50厘米双筒望远镜网络(50BiN)就落户青海,其主要的科学目标是恒星的时域问题研究,将开展双星、恒星活动、系外行星搜寻等天体物理前沿课题研究。

  另一台早已落户青海的SONG望远镜是全球联测望远镜之一,拥有1米口径的高分辨率光谱望远镜,通过测量视向速度精确测量进行星震学研究。

  如今,“中国科学技术大学—紫金山天文台2.5米大视场巡天望远镜WFST”基建工程已经在冷湖天文观测基地正式开工,建成后将成为北半球具备最高巡天能力的光学时域巡测设备,预期可以在时域天文、外太阳系天体搜寻、银河系结构和近场宇宙学等领域取得突破性成果。

  清华大学即将建设的宽视场光谱巡天望远镜(MUST) 是一架计划6 . 5 米口径的望远镜。配合未来的全波段巡天设备,MUST有望在暗能量演化、星系宇宙学、引力波宇宙学等方向取得突破,使我国在地基天文观测和相关技术领域达到国际一流或领先水平。

  不久前邓李才老师出差回来,一见到组里的同事就难掩兴奋:“你知道昨晚冷湖的视宁度多少吗?0.34角秒!这回我可是亲眼看到的!”这是一个接近了半米口径望远镜衍射极限的数字。对于邓李才老师和我的同事们来说,现在倒是有一件颇为头疼的事情,那就是望远镜来的太多怎么办,如果以后还有更大的装置来山上该怎么办?如何规划,才能将这一台址的优势,发挥到最大化呢?愿苍天庇佑冷湖赛什腾山!你究竟能以如何的胸怀,来迎接慕名星空而来探索宇宙的客人们呢?

冷湖 | 星窥青海湾

星轨、繁星与银河,赛什腾山的夜空即将揭示多少宇宙奥秘?

  作者简介:杨帆,国家天文台助理研究员。恒星与恒星系统研究团组成员。在参与选址工作之前从事利用lamost光谱数据研究银河系结构的相关工作。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
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