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Nature:中国发现世界级天文和行星光学台址——冷湖
2021-08-19 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地基光学观测一直是天文学和行星科学不可或缺的重要探测手段。从1609年伽利略首次将自制的光学望远镜对准星空开始,天文和行星光学望远镜的口径从几厘米提升到了10米量级,我们能将行星看得更加清晰,也能看到更深远的宇宙。但地基光学观测受到了我们头顶大气层的影响。大气湍流严重干扰了光辐射的传输,降低了光学观测分辨率,对于红外光学观测,还受到水汽吸收的干扰。因此,大型光学望远镜几乎都集中在世界上少有的几个地方,譬如智利的阿塔卡玛沙漠、夏威夷的莫纳凯亚山、西班牙的加纳利群岛和南极的冰穹(Lawrence et al., 2004; Sch?ck et al., 2009; Ma et al., 2020),如图1所示。可以看到,已有的光学台址都分布在西半球,整个东半球是个巨大的空缺。国际天文和行星科学界都寄希望在中国能找到世界级的光学台址,特别是在“世界屋脊”青藏高原上。

1 世界主要天文台址分布图

  优良的光学台址的主要衡量指标包括:

  (1)高质量晴夜数——决定了每年的可观测时间,使用全天空相机连续拍照,监测夜天空云含量。

  (2)天空背景亮度——决定了可观测的最弱目标,使用天空质量监测仪(SQMSky Quality Meter)进行测量,并给出天顶方向极限星等。

  (3)大气稳定程度——决定了观测图像的分辨率,使用差分像移监测器(DIMMDifferential Image Motion MonitorSarazin and Roddier, 1990)对恒星目标进行观测,计算星点弥散斑尺寸。

  (4)位置、物流和基础设施条件——决定了人员和大型设施能否到达,设备长期运维是否有保障。

  (5)暗夜星空的长期保护政策——决定了台址的长期高质量发展。

  指标(1)和(5)限定了台址一般只能位于人烟稀少甚至无人区光污染少的地方,比如广袤的中国西部地区。青藏高原高海拔和人口稀少的优势,一直被国际和国内天文与行星科学界寄予厚望。中国天文界曾组织开展了西部选址项目,通过历史气象资料分析(日照、降水)和实地勘测等,初步发现了一些候选台址,如四川稻城、西藏阿里、新疆慕斯塔格等,但都存在不同程度的不足之处,如水汽含量、光污染、可到达性等(Stone, 2010; Feng et al., 2020)。冷湖也很早进入了天文选址的视野,因为这里除了夜空晴朗和日照充沛之外,还具有比上述地区更优越的交通便利和区域安全。但冷湖地区位于柴达木盆地北缘,存在大面积的风蚀地貌,且比邻塔克拉玛干沙漠,对风沙的担忧使得前人将这个地区排除在了潜在天文台址的队列之外。但是,这个结论是在没有人实际到达的时代预估的。

  2017年底,冷湖行委为寻求经济发展转型,依托星空资源发展文旅,邀请国家天文台邓李才研究员赴冷湖考察,首次踏勘了位于冷湖东部的赛什腾山,壮美绚丽的星空令人震撼(图2,图3)。方圆百公里的无人区,使得这里几乎无光污染,非常适合建设天文台。

2 冷湖天文观测基地地理位置

3 赛什腾首次踏勘实景,由24幅手机照片拼接(供图/国家天文台邓李才)

  2018年,海西州政府决定由州财政支持,启动冷湖天文选址项目,对台址参数进行全方位监测。在道路未达到赛什腾山顶前,海西州政府为了保障选址顺利开展,投入巨资把基础数据测量需要的设备和基建材料用直升机吊运上山,安装在4200米台址点。经过历时3年的连续监测,研究团队(国家天文台、紫金山天文台、西华师范大学和地质与地球物理研究所)获得了关于赛什腾山台址区域的各种参数,包括大气总视宁度、天光背景、晴夜数量、气象、大气湍流和可沉降水汽的大量数据,并将分析研究结果发表在NatureDeng et al., 2021)。

  冷湖台址区域的优质晴夜时间(可开展精密光度测量)占比达70%,外加大约15%的部分有云的光谱观测时间,每年观测可用的时间达300天。夜间可沉降水汽柱密度在2毫米以下的时间占比优于美国的夏威夷天文台(54%),远优于智利和其它地区的大型光学天文台。对于光学观测而言,大气视宁度无疑是最受关注的台址参数。赛什腾山4200米台址点的大气视宁度中位值0.75角秒(如图4),与夏威夷持平,优于智利和其它地区的大型光学天文台,包括青藏高原上其他的台址普查点。夜间台址点气温起伏(峰谷差)中位值仅为2.4摄氏度,这也意味着地面层的大气非常稳定。所有这些台址参数都证明冷湖赛什腾山是世界一流的光学台址,成为我国为全世界贡献的天文和行星科学的战略资源。

4 冷湖台址大气视宁度统计直方图(Deng et al., 2021

  目前,已有若干光学望远镜与青海省地方政府签约落户。国家天文台、紫金山天文台、地质与地球物理研究所、中国科技大学、南京大学、西华师范大学的望远镜项目已经处于基础建设阶段。特别是地质与地球物理研究所冷湖行星地质观测中心口径分别为0.8PAST望远镜和1.8TINTIN望远镜(何飞等,2021),将分别在20219月和2023年初建成,成为我国首个地基行星光学观测中心和行星科学实习基地,有力支撑我国行星科学的科教融合发展。    

  主要参考文献 

  何飞,尧中华,魏勇. 冷湖行星光学遥感发展与展望[J]. 地球与行星物理论评,52(4): 361-372 (2021) 

  Deng L, Yang F, Chen X, He F, et al. Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site[J]. Nature, 2021, 596:353-356.原文链接 

  Feng L, Hao J X, Cao Z H, et al. Site testing campaign for the Large Optical/infrared Telescope of China: overview[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2020, 20(6): 80-94. 

  Lawrence J S, Ashley M C B, Tokovinin A, et al. Exceptional astronomical seeing conditions above Dome C in Antarctica[J]. Nature, 2004, 431: 278-281. 

  Ma B, Shang Z, Hu Y, et al. Night-time measurements of astronomical seeing at Dome A in Antarctica[J]. Nature, 2020, 583(7818): 771-774. 

  Sarazin M, Roddier F. The ESO differential image motion monitor[J]. Astronomy and Astrophysics, 1990, 227: 294-300. 

  Schock M, Els S, Riddle R, et al. Thirty Meter Telescope site testing I: overview[J]. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 2009, 121(878): 384. 

  Stone R. Astronomers hope their prize telescope isn’t blinded by the light[J]. Science, 2010, 329 (5995):1002. 

(撰稿:何飞/地星室) 

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