环球热点！中国大型光学天文台定址青藏高原

2022-07-30 16:10:46 来源：科普中国

【资料图】

仰望星空是人类最古老的行为，但真正用望远镜探索星空却只有400多年的历史。在这400多年里，人类对宇宙的了解有了突飞猛进的进展，与此同时，也克服了不少技术上的难题，其中一项就是如何为望远镜寻找一片明净的天空，让人类探索宇宙的视线畅行无阻。高质量的天文观测并不是随处都可以进行的，它对大气的要求十分苛刻，需要空气极为透明和宁静。我们都有这样的体验，天上的星星经常会“眨眼睛”，这是大气抖动造成的，这种抖动对天文观测很不利。此外，还有众多的苛刻要求，例如污染少、晴日多、空气中水汽和尘埃绝少等等。因此，要获得一个高质量的天文观测点并非轻而易举，它是天文学家们梦寐以求但又并非轻易就能实现的目标。尤其是在人类社会工业化高度发展的今天，实现这一目标变得尤为不易。2021年8月，我国科学家宣布了一项重大科学进展，天文学家们克服重重困难，经过不懈努力，在青海省成功发现了一处优良台址——青海冷湖台址。冷湖是青藏高原上的一个湖泊，位于我国青海省北部阿尔金山南麓的戈壁滩上，因湖得名的冷湖镇亦坐落于附近。科学家们在冷湖镇附近找到了这个非常理想的天文观测点，它位于冷湖赛什腾山区一座海拔4200米的山峰上。寻找优良的天文台台址需要不畏艰难的顽强精神和严谨的科学态度。自2018年1月起，中国科学院国家天文台的研究团队就对冷湖地区的各项参数进行了连续监测，这种监测一直持续了3年。结果表明，冷湖地区日照丰沛、降水稀少、夜空晴朗，由于地势高，地面风沙对4000 米以上的地区亦没有影响。同时，历史记录的天气条件也非常理想。因此，科学家们认为，这里的观测条件具备世界一流的视宁度和承载我国未来重大天文科学设施的潜力，堪称“世界级的天文观测台址”，可以与夏威夷莫纳克亚这种举世公认的最佳天文台台址比肩。青藏高原有着世界“第三极”之称，是国际天文学界的向往之地。现在，我国科学家们终于在这里找到了最优良的天文观测台址，从而实现了全球天文学家们的共同愿望。这一成果，打破了长期制约我国光学天文观测发展的瓶颈，为我国光学天文学、行星科学和深空探测等学科的发展创造了重大机遇。

优良台址成就地基天文学的辉煌

今天，天文学已经进入多信使多波段时域时代，人们不仅用可见光观测宇宙，也用其他多种人眼看不见的光观测宇宙，包括射电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线等。为此，望远镜已经不限于传统的地面望远镜了。太空望远镜也每时每刻都在将它们探索宇宙的视线投向深空。然而，即使在今天，地面望远镜也仍然是天文学研究的主力军，这是因为太空望远镜建造成本高，发射和操作的技术难度大，在口径和观测能力上依然受到限制，所以，在可以穿透大气层的波段上，人们依然主要依赖地基天文望远镜观测宇宙。具体地说，可见光、射电波和一部分红外线能穿透地球大气抵达地面，地基望远镜在这些波段上均大有作为。事实上，正是因为有了大型地面望远镜，人类对宇宙的认识才有了长足的进展。1917年，人们在威尔逊山天文台建造了口径2.5米的胡克望远镜，这是当时最大的天文望远镜。威尔逊山位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳附近，海拔1742米，那里视野开阔，大气稳定，非常适合天文观测。胡克望远镜建成后不久，美国天文学家埃德温·哈勃来到威尔逊山开始用胡克望远镜研究宇宙。当时很多人都认为，“仙女座星云”只是一团“星云”，它存在于银河系中，而银河系也非常特别，它在宇宙中是独一无二的。然而，埃德温·哈勃借助胡克望远镜看到了“仙女座星云”中的恒星，这说明仙女座星云不是一团“云”，它是由一颗颗星星组成的，是一个和银河系一样的“星系”。威尔逊山天文台

而且，埃德温·哈勃还通过仙女座星云中的“造父变星”未来中国天文学发展的重要保障判断出这个星系遥远地存在于银河系之外。原来银河系并不特别，它只是宇宙中一个普通的星系。埃德温·哈勃对星系表现出浓厚的兴趣，他利用胡克望远镜研究了很多星系后，发现几乎所有星系都呈现出红移。这说明宇宙中的所有星系都正在离我们远去，而且，星系远去的速度和它们与我们的距离很有关联：越远，它们背离我们的速度就越快。于是，埃德温·哈勃明白了，星系的退行速度是与它们的距离成正比的。原来，宇宙正在膨胀之中，它不是静止的，每时每刻都在演绎着运动、变化、诞生和死亡，这一发现改变了人类对整个宇宙的看法。胡克望远镜的卓越表现激励了天文学家们，此后，地基望远镜的发展便进入了快车道，各种大型地基望远镜层出不穷。它们坐落于观测条件理想的地方，例如位于海拔4206米的莫纳克亚火山的莫纳克亚天文台，凯克望远镜、“昴”望远镜和双子北望远镜等都安装于此。智利的欧洲南方天文台始建于1962年，那里安装有令人惊叹的巨镜——甚大望远镜。它坐落在海拔2632米的帕瑞纳山上，那里气候干燥，夜空晴朗，非常适合天文观测。经过多年的计划和建造，大双筒望远镜终于落户在美国亚利桑那州海拔3190米的格雷厄姆山上，那里远离大城市的灯光，水汽和尘埃极为稀少，是非常理想的天文观测点。自20世纪90年代起，人们在西半球架起了十几座8至10米口径的大型望远镜，这一宏伟举措大大推动了天文学的发展。莫纳克亚火山的莫纳克亚天文台

未来中国天文学发展的重要保障

在这样的背景下，我国的地基望远镜的建设也在不断发展之中。在光学望远镜家族中，我国已拥有2.16米口径望远镜，位于国家天文台兴隆观测站；2.4米口径望远镜，位于云南天文台丽江观测站；而口径更大的LAMOST是一台4～6米级的光谱巡天望远镜，同样位于兴隆观测站。LAMOST 后来被正式命名为“郭守敬望远镜”，是世界上最大的大视场望远镜，堪称能干的“星空巡视员”。它具备星空的“普查”功能，但不具备成像观测能力。郭守敬望远镜

无论是紫金山天文台、云南天文台，抑或是国家天文台兴隆观测站，这些早期落成的天文台都适应了当时的观测需求。然而，随着时间的推移，天文学家们需要将下一代天文望远镜的台址确定在更加理想的地方，这就要求天文学家们真正按照国际标准寻找台址。这项工作从2000年左右启动，从那时起，中国天文学家将视线投向了我国的西部。2016年，《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》正式公布，大型光学红外望远镜被列入优先启动的10个项目之列，从而明确了“优选台址，并建设一架12米级口径光学红外望远镜”的目标。这是一个冲刺光学极限探测能力的宏伟计划。假若有了12米级口径光学红外望远镜，我国天文观测的综合能力就能得到大幅提升，从而有助于跻身国际领先行列。同时，此项目也能为相关领域的前沿研究提供重要支撑，带动我国先进光学技术的创新发展。基于这个原因，我国科学家开始以满足12米级口径光学红外望远镜的标准进行天文台的选址工作。冷湖位于我国的腹地，作为未来的大型天文台台址，冷湖观测基地具有发展良好交通设施、建设可靠后勤保障和科研基地的条件。现在，随着专家们的认可，一些项目开始落户冷湖观测基地。2021年5月，总投资达2 亿元的中国科学技术大学—紫金山天文台2.5米大视场巡天望远镜项目落户冷湖。建成后，这架望远镜将成为北半球时域巡天观测口径最大、能力最强的望远镜。与此同时，青海省政府与清华大学签署了总投资约13亿元的“宽视场巡天望远镜（MUST）”项目合作协议。而西华师范大学与国家天文台合作的50厘米双筒望远镜已经进驻，并已开始工作。从已经建成和正在建设的项目来看，冷湖将成为我国规模最大的天文台，它也将成为世界天文观测的重要资源。尤为重要的是，它为未来中国天文学的大踏步发展提供了重要保障。目前，全球地基大型望远镜多集中在西半球，这种分布的不均衡制约了天文学的发展。这是因为天文观测常需要时域、空域的接力观测，而东半球缺乏优良的大型观测台就难以很好地完成这种观测。如今，冷湖观测基地的出现将改变这种窘境。我国大型光学天文台的建立，不仅将为我国天文学的发展带来重大机遇，同时也必将为全人类探索宇宙奥秘的伟大事业作出重要的贡献。雪后夕阳下的赛什腾，天文台笼罩在落日余晖中。（图片来源：中国国家天文台）

内容来自：《科学24小时》

关键词：国家天文台红外望远镜科学家们