点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

南极之巅仰望苍穹

来源:光明网2021-09-10 16:40

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  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。(阿里、冷湖、稻城、帕米尔高原的选址故事)

  除了西部选址计划,还有一个地方也被不畏艰险的天文学家们“惦记”上了,那就是真正远在天边的南极!南极大陆被冰雪覆盖,极寒和极端干燥等恶劣的自然环境不适于任何生物生存。然而,也正是这样特殊的地理大气条件,给了天文观测研究特殊的机遇。

南极之巅仰望苍穹

  中国南极天文的主要工作在南极内陆冰穹A。冰穹A是南极冰盖的最高点,海拔4100米(南纬80°25′01″,东经77°06′58″),下面冰层厚度可达3000多米,冬季气温经常低于零下80度,被称为“不可接近之极”。

  2005年1月,中国第21次南极科学考察队率先登顶了冰穹A,并在2008-2009年度建立了中国第三个南极科考站,也是中国第一个南极内陆科考站——昆仑站,给中国天文也带来了新的契机。

南极之巅仰望苍穹

  冰穹A的地理和大气条件给了天文研究独一无二的优势。极夜可以连续24小时不间断观测,这对时域天文可遇不可求;清洁而稳定的大气,预测有优异的视宁度,可以保证对天体的观测更加清晰;寒冷和干燥的环境又极为有利于红外和亚毫米波段的观测。

  冰穹A的台址测量设备

  在冰穹A安装天文设备始于2007-2008年中国第24次南极科考,科考设备同时兼顾台址测量和天文研究。

  第一代光学望远镜中国小望远镜阵(CSTAR)

  由4台口径14.5厘米、配不同颜色滤光片的小望远镜组成,主要用于确认冰穹A的光学观测条件和变星研究。

南极之巅仰望苍穹

安装在南极的中国小望远镜阵CSTAR。

  第二代光学望远镜南极巡天望远镜(AST3)

  计划有3台同样的望远镜,在不同的颜色波段同时进行观测,比CSTAR大很多,口径为50厘米,是全功能的望远镜,可以指向天空任何方向并跟踪,主要用于时域天文的研究,监测各种天体随时间的变化,发现新的天体。

南极之巅仰望苍穹

昆仑站天文场地的两台南极巡天望远镜AST3。

  最近的昆仑视宁度望远镜(KL-DIMM),专门用来测量冰穹A的视宁度,配有一套完善的控制、观测和数据处理系统,实时校正望远镜的指向和跟踪,实现对亮星(老人星)的闭环导星、长期跟踪观测。

  在光学波段,还有广角90°的Gattini相机和180°全天相机—昆仑云量和极光监测仪(KLCAM),也用于对光学观测条件的测量和研究。

  历年来安装运行的其它监测设备还包括——

  大气监测设备:

  声雷达(SNODAR)

  研究近地面大气逆温层的昆仑多层自动气象站(KLAWS)

  太赫兹设备:

  高海拔南极太赫兹望远镜原型机(pre-HEAT)

  傅里叶频谱仪(FTS),专门用于测量大气在这个波段的透过率

  由于昆仑站目前还只是度夏站,冬季无人值守。因此,当科考队员离开昆仑站后,所有设备都必须在无人值守的情况下自动运行。为此,我们与澳大利亚科学家合作为昆仑站天文项目定制了一套能源和通讯系统——高原观测站(PLATO),集成太阳能和传统发电机,配备卫星通讯,可以保障现场设备的越冬运行,并支持远程对设备的监测和控制。为应对冰穹A极端的环境,所有设备都针对低温和冰雪进行了特殊设计和防护。同时,有一套运行控制和数据系统,负责完成无人值守的观测和实时数据处理等工作。

南极之巅仰望苍穹

昆仑站天文场地的SNODAR,以及PLATO的发电舱和仪器舱。

  历年来,昆仑站天文场地的各种设备也根据需求进行了维护更新。目前仍在现场的设备包括KL-DIMM、KLAWS、KLCAM和一台AST3望远镜。

南极之巅仰望苍穹

昆仑站天文场地的KLAWS和两台冗余的KL-DIMM望远镜及其塔架。

  冰穹A的稳定大气和优异视宁度

  南极是地球上被污染最少的大陆,空气洁净,尘埃极少,因此散射光也极小。冰穹A的大气也非常稳定。利用KLAWS,我们发现冰穹A的大气在大部分时间都存在非常强的逆温现象,与通常上冷下热的大气不一样。在这里,越冷因而越重的空气越接近雪面,而温度较高的轻空气则在上层,所以称为逆温。通常在城市或一般天文台没有逆温,热空气上升、冷空气下降,引起大气对流并产生湍流,造成很差的视宁度。而在逆温情况下,没有大气的垂直对流,因而大气非常稳定,可以有非常好的视宁度。

  冰穹A有70%的时间在雪面之上就存在逆温。随着高度增加,逆温出现得就更频繁,在6米的高度,有95%的时间都是逆温的稳定大气。此外,与湍流相关的还有大气的分层。大气湍流源于空气与地表的能量交换或大气运动时与地表凸起部分的相互作用。冰穹A的地表平坦,大气结构简单。我们可以把大气及湍流分布简化为两层:大气湍流主要集中在近地表的大气边界层,而在边界层之上的自由大气非常稳定,湍流很小,有极好的视宁度。

  在一般的天文台址,边界层厚度通常在几百米甚至几公里,而在冰穹A,SNODAR的测量表明,其边界层厚度的中值只有近14米。因此,我们可以把望远镜建在高处,很容易避开边界层的湍流,从而获得自由大气的优异视宁度。这是冰穹A最大的优势之一。

  天文观测对成像质量要求极高,目前世界上最好的望远镜集中在夏威夷和智利北部优良的台址上,视宁度一般在0.6-0.8角秒。最新的KL-DIMM的数据分析表明,冰穹A的自由大气视宁度的中值只有0.31角秒,最佳值达到0.13角秒,并且在离地面8米的高度,就有31%的时间可以获得自由大气视宁度;在离地面14米的高度,有近一半的时间可以获得自由大气视宁度。相比较而言,同在南极的冰穹C(法国和意大利考察站),在30米的高度,才有一半的时间可以获得自由大气视宁度。因此,不仅在冰穹A可以更容易获得自由大气视宁度,而且也更易于未来的工程建设。

  冰穹A有地面最佳天文观测条件

  经过10余年的努力,我们对中国南极昆仑站所在的冰穹A地区的天文观测条件已经有了长足的认识。在光学波段,不仅有极暗的天光和更高的晴夜率,而且还具有极佳的大气视宁度。同时,它也是地面最干燥的地区,在太赫兹波段有最佳的大气透过率。

  虽然在红外波段,尚需要定量的实际测量数据,但极冷就意味着红外天光背景极暗,基本可以推定有很好的红外观测条件。综合多波段的结果,冰穹A地区的天文观测条件优于已知的其它任何地面台址,可以极大地提高观测效率和观测质量。这些不仅确认了昆仑站有珍贵的天文观测台址资源,也为我国进一步开展南极天文研究、未来的仪器设计和建造以及昆仑站的建设奠定了科学的基础。

南极之巅仰望苍穹

KLCAM拍摄的全天图像,地平线附近有极光。

  作者简介:商朝晖,国家天文台南极天文与时域天文研究团组首席科学家、博士生导师,中国第35次南极科考昆仑站队队长。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 乙巳年黄帝故里拜祖大典在河南新郑举行

  • 上海:纪念五卅运动100周年文物史料专题展开幕

独家策划

推荐阅读
3月30日,2025中国网络媒体论坛“坚持主流价值导向 推动算法向上向善”主题分享会在广西南宁举行。主题分享会上发布了“算法向善”南宁宣言,重点互联网企业代表集体签署。
2025-04-01 09:46
目前全球6G研发已从概念探索进入关键技术攻关阶段,中国围绕2030年实现6G商用这一目标加速布局。
2025-04-01 09:50
AI医疗只是辅助手段。
2025-04-01 09:48
31日,在2025中关村论坛年会“重大科技成果发布活动”上,由北京金融监管局联合市科委、中关村管委会、市经济和信息化局、市委金融办共同指导,全国首个商业航天保险共保体组织——“北京商业航天保险共保体”正式发布,助力北京商业航天加速发展。
2025-04-01 09:47
3月31日,“南海二号”钻井平台在惠州19-6油田海域进行钻探作业。
2025-04-01 09:45
2025中关村论坛年会重大成果专场发布会31日举行,围绕“四个面向”发布19项重大科技成果,展现了我国在前沿科技引领、开源开放合作、创新驱动发展等方面的成效。
2025-04-01 09:41
现场发布2024中国正能量网络精品征集展播活动结果,与会领导为中国正能量十佳网络精品代表、突出贡献单位颁发荣誉证书和纪念牌。
2025-04-01 09:48
主题分享会上发布了“算法向善”南宁宣言,重点互联网企业代表集体签署。
2025-04-01 09:47
今年以来,我国以DeepSeek为代表的大模型企业通过算法优化、有针对性的训练和开源生态协作,在使用“缩水版”GPU芯片的情况下,将千亿参数模型训练成本压缩至同类模型的1/10,走出了一条从粗放式算力堆砌向内生式效能提升的新路径。
2025-03-31 10:21
“联合科研团队初步确定,青龙山恐龙蛋化石普遍表现出特殊排列规律,如常见同层埋藏的恐龙蛋3至5枚一组排列成微微弯曲的弧线,多组弧线近平行展布。
2025-03-31 10:03
由西湖大学孵化的西湖仪器,日前成功实现12英寸碳化硅衬底激光剥离自动化解决方案,大幅降低损耗,提升加工速度,推进了碳化硅行业降本增效。
2025-03-31 10:02
日照两城河口国家湿地公园,一群绿头鸭在水面上自由飞翔。
2025-03-31 10:01
3月28至29日,作为2025中关村论坛年会的重要组成部分,中关村国际技术交易大会“全球高校科技成果转化促进大会”在北京工业大学举行。
2025-03-31 09:59
2025中关村论坛年会于3月27日至31日在北京举办,以“新质生产力与全球科技合作”为年度主题。其中将举办碳达峰碳中和科技、世界绿色设计等论坛,为新质生产力发展注入绿色动能。
2025-03-28 03:30
日前,我国自主研制的最大直径盾构机“沧渊号”成功下线,将承担世界最长公路水下盾构隧道——海太长江隧道工程左线掘进任务。大海古称“沧渊”,海太长江隧道横跨长江入海口,全长39.07公里,其中过江隧道长11.185公里,最大埋深超75米,计划于2028年建成。“沧渊号”开挖直径达16.66米,整机总长176米,总重量超5650吨,再创国产超大直径盾构机新纪录。
2025-03-28 04:00
3月27日,国家重大科技基础设施高能同步辐射光源HEPS正式宣布启动带光联调,这标志着HEPS装置建设进入冲刺阶段。HEPS是设计亮度世界最高的第四代同步辐射光源,也是我国第一台高能量同步辐射光源。截至2025年1月,经过多轮束流调试,HEPS储存环束流强度达到40毫安以上,发射度降低到93皮米弧度。
2025-03-28 04:00
3月27日,以“新质生产力与全球科技合作”为主题的2025中关村论坛年会在北京中关村国际创新中心拉开帷幕。来自100多个国家和地区的上千名嘉宾齐聚一堂,共议前沿科技趋势、共享创新思想、共谋发展机遇。
2025-03-28 03:30
近日,国家卫生健康委会同国家市场监督管理总局发布50项食品安全国家标准和9项标准修改单。截至目前,我国已累计发布食品安全国家标准1660项,包含2万多项指标,涵盖全部340余种食品类别。
2025-03-28 04:00
记者日前获悉,自去年10月全球洲际间断分布的5种崖柏属植物全部落户重庆市开州区崖柏国家林木种质资源库以来,科研团队已成功繁育崖柏实生苗30万株,崖柏扦插苗20万株,
2025-03-27 04:00
职业技能培训对劳动者提技增收、缓解就业矛盾意义重大。党中央、国务院高度重视职业技能培训工作,2024年印发《关于实施就业优先战略促进高质量充分就业的意见》,要求健全终身职业技能培训制度。
2025-03-27 05:10
加载更多