下一代地基光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡最大的特點(diǎn)就是口徑大，觀測(cè)的天體也會(huì)更暗。這就要求天文臺(tái)臺(tái)址在保證可觀測(cè)夜數(shù)足夠的前提下，天空背景要更暗，大氣湍流要更小，視寧度要更低，才能有效發(fā)揮望遠(yuǎn)鏡性能。

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

　　自2018年初至2020年底，近3年間，這塊干旱少雨、日照強(qiáng)烈的地區(qū)吸引了一批批科學(xué)家，他們不時(shí)仰望星空，試圖從云量、夜空背景亮度、氣溫、壓力、濕度、風(fēng)速和方向、灰塵、可降水量等數(shù)據(jù)中抽絲剝繭，目的只有一個(gè)，為未來(lái)的望遠(yuǎn)鏡尋找一處適合安放的新家。

　　最終的結(jié)果足以令科學(xué)家們欣慰。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、西華師范大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)青海觀測(cè)站等團(tuán)隊(duì)的研究人員在《自然》雜志發(fā)表論文稱(chēng)，他們發(fā)現(xiàn)賽什騰山C區(qū)4200米海拔標(biāo)高點(diǎn)的光學(xué)觀測(cè)條件，在光學(xué)紅外天文觀測(cè)性能方面可以比肩國(guó)際一流光學(xué)紅外天文臺(tái)臺(tái)址。其中，能夠影響地基望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量的視寧度指標(biāo)的中值為0.75角秒，這個(gè)參數(shù)與國(guó)際最佳臺(tái)址數(shù)據(jù)大致相同。

　　目前已知的世界上最好的天文臺(tái)臺(tái)址包括以美國(guó)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(qū)為代表的海岸邊高聳山脈型和以南極為代表的極地型。內(nèi)陸是否存在能與之比肩的優(yōu)秀臺(tái)址，賽什騰山C區(qū)的發(fā)現(xiàn)給出了答案。選臺(tái)址可能是天文領(lǐng)域中最艱苦的工作之一。在每一處臺(tái)址背后，都有一串大數(shù)據(jù)的支撐，除了需要考察地形、地質(zhì)、運(yùn)行支撐外，還需考慮諸多天文觀測(cè)的相關(guān)影響因素，包括晴夜數(shù)、視寧度、氣象條件等指標(biāo)。

　　避開(kāi)光污染 天文臺(tái)臺(tái)址不斷遠(yuǎn)離城市

　　“古老的天文臺(tái)，例如英國(guó)格林尼治天文臺(tái)、伽利略工作過(guò)的意大利帕多瓦天文臺(tái)，都建在城市里或近郊。在它們建設(shè)的時(shí)代，望遠(yuǎn)鏡口徑很小，觀測(cè)也主要以目視為主，而且那時(shí)城市幾乎沒(méi)有光污染。”上述論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員鄧?yán)畈沤榻B，天文學(xué)發(fā)展到近代，逐漸開(kāi)始重視天文臺(tái)的選址，天文臺(tái)臺(tái)址也在不斷遠(yuǎn)離城市。

　　鄧?yán)畈耪f(shuō)，地基天文觀測(cè)都是透過(guò)地球大氣進(jìn)行觀測(cè)，大氣中的物質(zhì)會(huì)吸收來(lái)自天體的信號(hào)，所以臺(tái)址上空的大氣越薄，被吸收的信號(hào)就越少。因此需要在海拔盡可能高的地方選址。

　　此外，選址還需要遠(yuǎn)離人造光源，因?yàn)榇髿庵懈鞣N因素產(chǎn)生的散射會(huì)嚴(yán)重影響天文觀測(cè)。

　　人類(lèi)活動(dòng)不僅制造了更多的光污染，也讓尖端的地基光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡直面更多挑戰(zhàn)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員馮麓告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“現(xiàn)代的光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡在靈敏度和波長(zhǎng)覆蓋范圍方面，要比以前強(qiáng)得多。望遠(yuǎn)鏡的聚光能力越來(lái)越強(qiáng)，也就意味著它們不僅能捕捉星光，也會(huì)將城市燈光一起收集進(jìn)來(lái)。而未來(lái)觀測(cè)的天體目標(biāo)越來(lái)越遠(yuǎn)，這就意味著在地面觀測(cè)的時(shí)候它們本身就會(huì)很暗。所以用于夜間觀測(cè)的天文臺(tái)的選址就要避免城市的光污染，選擇更偏僻的地方。”

　　建國(guó)初期，我國(guó)用來(lái)在夜間觀測(cè)的天文臺(tái)只有位于南京市的中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)。上世紀(jì)90年代，天文學(xué)家在我國(guó)西部開(kāi)展了一系列臺(tái)址探查和監(jiān)測(cè)工作。云南天文臺(tái)的高美古觀測(cè)站、新疆天文臺(tái)的南山觀測(cè)站、青海的德令哈觀測(cè)站就誕生于這一時(shí)期。這些臺(tái)站的海拔高度普遍在2000—3000米，相對(duì)于海拔僅有900米的河北興隆觀測(cè)站，它們能避開(kāi)1000—2000米的大氣湍流，視寧度也就更好，更有助于望遠(yuǎn)鏡成像。

　　為了應(yīng)對(duì)未來(lái)更大口徑望遠(yuǎn)鏡建設(shè)的需求，我國(guó)在2003年前后集中力量對(duì)青藏高原和帕米爾高原開(kāi)展了選址工作。西藏的烏瑪、噶爾，新疆的卡拉蘇等海拔在3000—4000米的臺(tái)址都是在這期間涌現(xiàn)出來(lái)的。

　　海選、踏勘、精測(cè) 天文望遠(yuǎn)鏡“落戶”不簡(jiǎn)單

　　夜空中，我們目力所及的繁星，90%以上都是銀河系內(nèi)的恒星，這是因?yàn)檫@些恒星離我們較近。

　　由于地球自轉(zhuǎn)軸和銀盤(pán)存在一個(gè)夾角，所以在實(shí)際觀測(cè)星空的時(shí)候，南半球所對(duì)應(yīng)的南天可以看到更多銀河系內(nèi)的天體；而在北半球?qū)?yīng)的北天，銀河系遮擋較少，借助望遠(yuǎn)鏡可以看到銀河系外和銀盤(pán)外的天體。

　　對(duì)于天文學(xué)家而言，無(wú)論是銀河系內(nèi)還是系外的天體都有重要的研究?jī)r(jià)值。馮麓說(shuō)：“對(duì)于大口徑望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)而言，地理位置的考量更多的是出于天文臺(tái)自身的傾向性，比如美國(guó)的天文臺(tái)偏向于在本國(guó)領(lǐng)土內(nèi)建設(shè)望遠(yuǎn)鏡，而歐洲南方天文臺(tái)從建臺(tái)之初就是要在南半球設(shè)立自己的觀測(cè)基地等?！?/p>

　　鄧?yán)畈耪f(shuō)，想要尋找系外行星上的生命跡象，捕捉電磁引力波爆發(fā)和太空偶發(fā)的瞬時(shí)天體物理事件，望遠(yuǎn)鏡就必須盡量均勻地分布在全球各地，才能在有限的時(shí)間窗口中精確觀測(cè)、驗(yàn)證這些天文現(xiàn)象。而冷湖鎮(zhèn)在東半球獨(dú)特的地理位置，恰好填補(bǔ)了莫納克亞山、阿塔卡馬沙漠和加那利群島三地天文臺(tái)之間在地理上的巨大鴻溝。

　　當(dāng)然，讓天文望遠(yuǎn)鏡“落戶”，不可能一蹴而就。鄧?yán)畈沤榻B，就冷湖鎮(zhèn)地區(qū)的天文臺(tái)選址來(lái)說(shuō)，科學(xué)家首先從多年來(lái)地面氣象臺(tái)網(wǎng)和衛(wèi)星云量的數(shù)據(jù)中，選擇了一個(gè)大致的適宜區(qū)域；然后實(shí)地踏勘，查看地形地貌、地質(zhì)條件等，例如是否有起伏明顯的高山，地質(zhì)條件是否利于修路；再調(diào)閱當(dāng)?shù)?個(gè)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(shí)間；確定大致可行之后，還要再進(jìn)行長(zhǎng)期的定點(diǎn)測(cè)量。

　　要“看到”還要“看好” 選址需考慮這些科學(xué)指標(biāo)

　　光學(xué)天文臺(tái)的選址需要考慮諸多科學(xué)指標(biāo)，比如晴夜數(shù)、天光背景亮度、視寧度以及涉及氣象條件的風(fēng)力、顆粒物、水汽等。

　　視寧度指的是大氣抖動(dòng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星象造成的模糊程度，選址地區(qū)的視寧度越低越好。視寧度的監(jiān)測(cè)往往采用差分圖像運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。這種設(shè)備根據(jù)所收集到星斑的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合大氣湍流的物理統(tǒng)計(jì)模型，就可以反演出臺(tái)址上空大氣的視寧度。

　　決定地基光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡能否觀測(cè)到天體的最重要因素還包括云量遮擋。馮麓介紹，傳統(tǒng)天文觀測(cè)有兩種，一種是測(cè)量天體的亮度，一種是測(cè)量天體的光譜。對(duì)于前者而言，因?yàn)闇y(cè)量的是來(lái)自目標(biāo)天體光子的絕對(duì)數(shù)量，所以一旦在觀測(cè)目標(biāo)和望遠(yuǎn)鏡之間出現(xiàn)云，到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的光子就會(huì)減少，云層太厚的時(shí)候也有可能完全接收不到光子。而光譜觀測(cè)則不需要測(cè)量到達(dá)光子的絕對(duì)數(shù)量，只要有來(lái)自天體的光能被接收，而且強(qiáng)度足夠看到各條譜線的相對(duì)位置，觀測(cè)就是成功的。但如果觀測(cè)的天體比較暗，光譜觀測(cè)可能也會(huì)受一點(diǎn)影響。

　　所以，天文學(xué)家在考察臺(tái)址的云量時(shí)，一般會(huì)把長(zhǎng)時(shí)間（比如3到6個(gè)小時(shí)）在天頂方向很大角度范圍里不存在任何云的情況稱(chēng)為晴夜或者測(cè)光夜。而在長(zhǎng)時(shí)間較小范圍內(nèi)無(wú)云或者少云的情況被稱(chēng)為光譜夜。

　　馮麓認(rèn)為：“一個(gè)臺(tái)址是否優(yōu)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時(shí)間的長(zhǎng)短。”

　　此外，水汽是阻止紅外光穿透大氣的主要因素。評(píng)價(jià)大氣水汽含量的指標(biāo)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，海拔越高水汽含量越低，周?chē)脖辉缴俚呐_(tái)址通?？沙两邓恳草^低。水汽的指標(biāo)測(cè)量較為復(fù)雜，往往需要在紅外和射電多波段同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)探測(cè)結(jié)果，結(jié)合模型反演出可沉降水汽含量的絕對(duì)值。

　　“不過(guò)，考慮一地是否適合作為臺(tái)址，還要綜合考慮各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，在能‘看到’天體的基礎(chǔ)上‘看好’才行?！瘪T麓說(shuō)。

　　為了讓天文望遠(yuǎn)鏡盡可能不受環(huán)境的影響，近年來(lái)科學(xué)家也在嘗試將自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡中。

　　馮麓介紹，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)大氣湍流的特征，在望遠(yuǎn)鏡光路中對(duì)接收到的天體畸變波前進(jìn)行校正，盡可能降低大氣湍流對(duì)成像的影響。同時(shí)，為了實(shí)時(shí)探測(cè)大氣湍流，科學(xué)家會(huì)使用高性能的鈉激光，激發(fā)位于90—110千米高空中的鈉原子，使鈉原子產(chǎn)生共振熒光。共振熒光中，后向發(fā)射的光子返回地面的過(guò)程中，會(huì)將大氣湍流照亮，科學(xué)家就可以據(jù)此判斷大氣湍流的變化強(qiáng)度，繼而進(jìn)行校正。但這種技術(shù)會(huì)受到鈉層在豐度和高度上地域和季節(jié)性變化的影響，同時(shí)還會(huì)受到高空風(fēng)速、地球磁場(chǎng)矢量等與臺(tái)址相關(guān)因素的制約。

　　“但無(wú)論如何，下一代地基光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡最大的特點(diǎn)就是口徑大，觀測(cè)的天體也會(huì)更暗。這就要求天文臺(tái)臺(tái)址在保證可觀測(cè)夜數(shù)足夠的前提下，天空背景要更暗，大氣湍流要更小，視寧度要更低，才能有效發(fā)揮望遠(yuǎn)鏡性能?！瘪T麓說(shuō)。