赛什腾银河拱门。2021年七夕的银河拱门,拍摄于施工中的赛什腾C点,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、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均建于这个平台。赛什腾山台址质量的所有数据均在此采集完成。洪文瀚供图。
(神秘的地球uux.cn报道)据新浪科技: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。
光学/红外观测台址是极其宝贵的战略性稀缺资源,目前国际公认的最佳台址只有智利北部山区、美国夏威夷莫那卡亚峰及南极内陆冰穹地区。其中智利因拥有大面积极佳观测台址,将发展天文作为国策大力推动,使得全世界68%的地基光学/红外、高频射电天文观测设施都坐落在智利,为智利赢得了前沿研究、尖端技术、社会经济等巨大的发展机遇和空间。
我国天文界长期高度重视光学天文选址工作,上世纪九十年代开始部署在我国西部地区进行选址。2017年开始,国家天文台邓李才研究团队利用在青海执行科研项目的机会,与谋求转型发展的海西州冷湖地方政府密切合作,在海西州西部无人区开始台址搜寻工作。冷湖地区日照丰沛、降水极低、夜空晴朗,历史记录的天气条件非常良好。研究团队通过对冷湖赛什腾山区的实地考察,依据沙尘垂向呈指数分布的特性,确定在山区4200米海拔标高点(赛什腾C区)进行定点选址。
选址团队自2018年1月16日开始,正式对该地域的晴夜数量、晴夜背景亮度和气象进行连续监测。2018年5月开始,团队在海西州政府支持下通过直升机吊运,于赛什腾4200米标高监测点初步建成基础设施。当时山区尚无道路可以通达监测地,选址团队克服重重困难,经历生命考验,人力背负各种仪器设施,攀登崇山峻岭,建成了所有关键台址参数的测量平台并开始运行。为保障参数测量的连续性,团队人员数十次冒险攀登,对设备进行升级和维护。在全体成员的努力下,团队终于达成所有参数的95%连续覆盖率,获得了对赛什腾山光学/红外观测条件的结论性数据。为避免各种非科学因素对大型天文观测设施选址产生干扰,保证数据的可靠性和公正性,所有的原始数据在整个选址过程中实时公开。
截至2020年底,主要台址监测数据累计达3个年度。选址团队经过细致统计分析显示,冷湖赛什腾山C区(4200米标高点)的视宁度中值为0.75角秒。这个参数与国际最佳台址同期数据大致相同,全面优于其他台址。同时,在红外观测条件上,对“物质起源”和“生命起源”等极端科学目标而言,最重要的台址指标是可沉降水汽(PWV),冷湖赛什腾台址是所有国际一流台址中最为优越的。按可观测时间和视宁度进行综合量化分析,赛什腾山的品质优于青藏高原其它选址点,与夏威夷莫那卡亚峰和智利各天文台相比,基本持平。
冷湖国际一流台址的发现打破了长期制约我国光学天文观测发展的瓶颈,不仅为我国光学天文发展创造了重大机遇,特别是冷湖所在的地理经度区域内,尚属世界大型光学望远镜的空白区,而天文观测常常需要时域、空域的接力观测,因此,也是国际光学天文发展的宝贵资源。
地处青海省海西州的冷湖镇,地理上是中国的腹地,镇区海拔仅2700米,距赛什腾山台址80公里,可以建设可靠的后勤保障和科研基地。冷湖观测基地作为未来的大型天文台,具有良好的交通保障,区位优势明显。海西州政府提供的全面支持保证了选址工作及时启动和稳定运行。2019年,青海省科技厅启动一个重大专项支持多波段选址工作,光学选址是项目的四个研究课题之一。
为最大限度发挥好冷湖台址的科学效益,中国科学院将与青海省政府联合,一方面尽快对台址资源进行保护,避免灯光、粉尘、震动等的影响;另一方面统一规划和布局未来重大观测设施的发展。中科院将与青海省一道,力促冷湖天文台址的国际合作和开放,吸引国际领先的观测设施落户,使之成为国际光学天文研究的重要基地,使冷湖成为人类探索宇宙奥秘、培育原创性科学成果的重要策源地。
相关报道:记住冷湖,这里有欧亚大陆最澄澈的星空,以及中国天文学的未来
(神秘的地球uux.cn报道)据新浪科技(撰文:王昱 审校:邓李才 国家天文台创新团组首席研究员):在射电天文快速发展的同时,我国地基光学天文的发展却落后于世界水平,重要原因之一是我们缺乏合适的天文台址。而昨天在《自然》杂志上发表的一篇论文告诉我们,整个欧亚大陆上最优秀的天文台址,就在青海冷湖的赛什腾山。
“太差了,根本看不了!”
邓李才在回想起 2017 年在德令哈市的观测时感叹道。紫金山天文台青海观测站位于青海德令哈市,其建立目的是保证其中 13.7 米射电望远镜的射电观测。但在光学波段,这个台址对天光背景的保护并不到位。伴随着德令哈市的快速发展,等到 2017 年邓李才开展观测时,观测站在德令哈市方向的天光背景已经增加了 1000 倍,直接影响了观测质量,对他负责的项目而言,形成了极大的困难。而中国光学天文的发展对新台址的需求也迫在眉睫。与此同时,国家十三五准备立项的 12 米光学/红外望远镜的选址工作已经展开,当时确定的候选目标是西藏的阿里、新疆的帕米尔高原和四川西部地区。
严重滞后的光学天文
近年来我国射电天文快速发展 ,FAST 更是成为了世界上最大的球面射电望远镜,取得了不俗的成果。但是对天文学而言,射电只是电磁波谱长端的一小部分,而天文上更多的成果是由光学波段,或其附近的红外、紫外波段实现的。将红外和紫外天文也纳入光学天文的范畴的话,满天繁星中每一颗的辐射都集中在光学天文的范畴内。
但我们的地基光学天文是非常滞后的。对光学望远镜而言,口径是一个非常重要的参数。而我国的光学最大的通用光学望远镜口径仅有 2.4 米,仅有郭守敬望远镜 (LAMOST) 口径达到了 4 ~ 6 米级,但 LAMOST 是光谱巡天望远镜,难以进行成像观测 。1948 年时,美国的海尔望远镜的口径就已经达到了 5 米,我们今天的光学望远镜已经滞后了太多太多。
大型光学望远镜很难建,但对我们而言,阻碍最大的并非是望远镜建造本身,而是不知道能将望远镜放到哪里。最佳的天文台址一定是寸草不生的,因为干燥无雨、大气稀薄等望远镜所需要的环境特征,明显与植物的生存条件相悖;另一方面,植物蒸腾效应带来的水汽又会影响天文观测质量。另一个不确定性在于,即使一个台址在选址时的条件非常令人满意,但随着经济的发展,人造光源的污染都会对其造成不可忽视的影响。在德令哈,情况就是如此。
在机缘巧合下,邓李才的团队受到青海省海西州冷湖地区政府的邀请,前往青海冷湖镇寻找天文台址,这是天文学家首次以选址的目的来到冷湖。地基天文观测受到大气厚度影响,海拔越高,大气越薄,受到的影响就越小。自然,世界屋脊青藏高原在这方面有着无可比拟的优势,但冷湖之前并没有落入天文台址的候选范围――因为它比邻塔克拉玛干沙漠,加上本地的风蚀地貌,前人担心风沙会对望远镜的运行造成影响。
不过,物理规律告诉我们,沙尘浓度应该随着高度而呈指数衰减,只要有相对隆起、足够陡、足够高的山地,沙尘对台址就应该不是问题 。2017 年 10 月,选址团队委托当地政府选出了几个冷湖镇附近的山峰,他们确认镇东部的赛什腾山满足条件。一路颠簸,在将将入夜时越野车队终于抵达了赛什腾山脚下。邓李才下车,抬头仰望星空:“我们可能找对地方了。”
世界顶级台址
在选址团队到来之前,赛什腾山还是一座处女峰――未被人攀登过。在 2019 年 7 月山路贯通之前,选址团队想上山顶,通常只能靠双腿攀登。“哪有什么困难,困难都是等待去克服的,乐观一点。”邓李才笑道。后来为了进一步考察,他们使用了海西州政府的直升机在山顶搭建观测平台,设置科学仪器。
仅凭肉眼的直觉是远远无法作为选址依据的,他们在山顶架设的一批科学仪器可以检测气象、晴夜占比、天文大气总视宁度、天光背景,以及人们此前最担心的风沙(多种参数,以空气指数 PM10 为代表)等数据。同时,他们用气象数据拟合了可靠的可沉降水汽指标等数据。他们还专门建设了一个网站实时公开这些数据。公开选址数据是为了工作的可信度,选址团队一直都欢迎学者自行分析评价,但用数据开展研究工作需征询选址团队的意见。
自 2018 年 3 月以来,这些仪器几乎一刻不停地收集各项数据。最终,选址团队将这些数据整理成论文,发表在最新一期《自然》杂志上 。70% 的优质晴夜占比 ,0.75 的角秒的视宁度中位值,夜晚温度变化范围中位数也仅有 2.4 ℃,还有更多数据。综合分析证明,这个天文台址是世界顶级的。
地球上最好的天文台址位于南极冰穹,特殊的地理位置决定了那里具有亚空间级别的观测条件,但随之而来的观测成本也是亚空间级的。望远镜不断发展,除了口径在不断增加,在镜面后分析星光的仪器也愈发庞大,因此在空间和南极建设下一代大型望远镜是不现实的。《自然》杂志的科学编辑比喻道:“你不能拿一个苹果和一个橘子进行比较,你应该拿一个苹果和另一个苹果进行对比。”
除南极外,美国夏威夷的茂纳凯亚火山 (Mauna Kea)、 智利的帕瑞纳山 (Cerro Paranal) 等世界顶级的天文台址都位于西半球。稍次一级的西班牙拉帕尔马岛 (La Palma) 位于西经 15 度,也非常接近西半球。青海冷湖几乎是整个东半球最优质的天文台址,或者说,是整个欧亚大陆上最优秀的天文台址。
在东半球建设顶级望远镜具有重要意义,如果天文学家需要观测那些转瞬即逝的目标,那么望远镜就必须尽量均匀地分布在全球各地。否则,在重要天体物理事件发生时,西半球可能处于白天,当前的顶级台址根本无从观测。
壮美星空下的生存条件是严峻的,对植物如此,对人也是如此。赛什腾山 4200 米到 4500 米之间的海拔的确比较危险,但好在冷湖大部分地区海拔在 3000 米以下,只是赛什腾山拔地而起,在短距离内提升了一千多米。这样剧烈的高度变化一方面挡住了山下的风沙,另一方面给人员保障带来了极大的便利。毕竟,不足 3000 米时的高原反应远没有 4000 多米的危险。
星空下的未来
天文学家都热衷于大众科普,但他们的事业却不喜欢人们都聚集到天文台周围,因为随之而来的人造光源会让天文台的观测条件迅速恶化,就连当前世界顶级的天文台都难以幸免。曾经主持 LAMOST 银河系巡天研究计划制定的邓李才对天文台址观测条件的恶化深有体会,但他对冷湖这方面的前景较为乐观。
冷湖镇在上世纪六七十年代时,曾因石油开采一度增长到 10 万人口,但随着石油资源逐渐枯竭,冷湖再度回到几乎无人的状态。无人区自然不必担心人造光源,而且地方政府曾在 2017 年 7 月给选址团队带来一纸红头文件,承诺对冷湖全域进行暗夜保护。现在,在天文台址半径 50 公里以内任何新建的工业项目,冷湖天文观测基地都要参与评估,并可以执行否决权。
天文学家追随着星空建造天文台,爱好者们也会慕名而来。对于天文爱好者,邓李才表示:“爱好者和关注星空的旅行者不会去破坏冷湖星空的宁静。”天文台会强力助推冷湖基于星空和地貌的旅游资源,地方政府由此增加的收入反过来又能促进天文台的发展。天文学家也想获得更多经济支持,但天文台“只可远观,不可亵玩”。现在冷湖地区旅游基地的设置,也需要参考天文学家的意见。
冷湖这一优秀台址的发现,振奋了国内天文学家的精神。西华师范大学与国家天文台合作的50 厘米双筒望远镜 (50BiN)已经在赛什腾山天文基地展开了观测。还有众多天文望远镜正在建设当中。其中就包括清华大学的 6.5 米天文望远镜,正式名称为宽视场巡天望远镜 (MUST)。
邓李才表示,将来LAMOST 望远镜有可能会搬迁到赛什腾山。还在讨论中的12 米或更大的光学望远镜,按照中国科学院领导的指示,原先“建在哪”,“何时建”的两个问题也只剩下了“何时建”一个。
正如邓李才所说,未来已来,冷湖不冷!请记住青海冷湖,赛什腾山,这里拥有整个欧亚大陆上最澄澈的星空。未来,人类探索星空的历史上,一定会有属于冷湖的一页。
选址成果的《自然》论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03711-z
暂无评论...