近年來(lái)，我國(guó)射電天文快速發(fā)展，位于貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST是世界上最大的球面射電望遠(yuǎn)鏡。除了射電望遠(yuǎn)鏡，光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡也是天文觀測(cè)的利器。

早在2016年，12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LOT）就成為“十三五”時(shí)期我國(guó)優(yōu)先布局的10個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。然而，選擇放置這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址仍然是個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

《自然》雜志日前發(fā)表論文，介紹了我國(guó)科學(xué)家在青海冷湖地區(qū)發(fā)現(xiàn)國(guó)際一流光學(xué)天文臺(tái)址，論證了青藏高原可能是建造下一代大型望遠(yuǎn)鏡的合適選址。今天，我們邀請(qǐng)論文主要作者、我國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員鄧?yán)畈偶啊秇uan球科學(xué)》發(fā)文人王昱一起來(lái)聊聊天文臺(tái)選址的故事。

2018年冬季，在賽什騰C點(diǎn)建有兩個(gè)測(cè)試塔，分別測(cè)量白天和夜間的視寧度。這是工作時(shí)用手機(jī)拍攝的星軌，星空在地球轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中留下美麗的軌跡。鄧?yán)畈艛z

東半球建頂級(jí)望遠(yuǎn)鏡意義重大

在遠(yuǎn)古時(shí)期，我們的祖先憑一雙肉眼就開(kāi)始了對(duì)滿(mǎn)天繁星的探索和想象。400多年前，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明真正超越了人眼，可以想象，當(dāng)伽利略第一次看到木星的樣子和圍繞木星的四顆大衛(wèi)星時(shí)該多么激動(dòng)。這應(yīng)該是人類(lèi)歷史上正式記錄的第一次透過(guò)望遠(yuǎn)鏡的天文觀測(cè)！

因?yàn)樽匀坏脑颍覀儸F(xiàn)在理解的光學(xué)波段的天文觀測(cè)，一直主導(dǎo)了學(xué)科的發(fā)展。原因特別簡(jiǎn)單_

人類(lèi)賴(lài)以生存的大氣正好屏蔽了對(duì)地球生命有害的紫外光和大部分比光學(xué)波段更長(zhǎng)的紅外光，大氣在波長(zhǎng)更長(zhǎng)的電磁輻射中又變得透明，使得我們可以與人造衛(wèi)星通訊。而宇宙中可以被看到的天體（恒星或由恒星組成的更大尺度的天體）發(fā)出的能量大部分就在光學(xué)波段。盡管我們現(xiàn)在知道的宇宙，絕大部分都不是我們可以看到的未知物質(zhì)（暗物質(zhì)或暗能量），但我們看到的這一小部分天體充當(dāng)了示蹤物，是天文觀測(cè)獲取信息的最主要來(lái)源。從這個(gè)意義上講，光學(xué)（包括紫外和紅外光）天文觀測(cè)在現(xiàn)代天體物理研究中是不可或缺的最重要手段。

為圖發(fā)展，我國(guó)的天文臺(tái)都在選擇新的地址建設(shè)觀測(cè)設(shè)備。比如云南天文臺(tái)在青藏高原東沿的橫斷山選址，從1992年到1998年，歷時(shí)6年監(jiān)測(cè)、評(píng)估之后，終于在麗江高美古建成了目前我國(guó)最大口徑的通用型望遠(yuǎn)鏡（2.4米）。二十多年來(lái)，我國(guó)的光學(xué)天文觀測(cè)就依賴(lài)興隆基地2.16米和高美古2.4米這兩臺(tái)通用型望遠(yuǎn)鏡，還有建于興隆基地的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）負(fù)責(zé)銀河系巡天，為我國(guó)在當(dāng)今的光學(xué)天文領(lǐng)域爭(zhēng)得了一席之地。

對(duì)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言，口徑是一個(gè)非常重要的參數(shù)。目前我國(guó)光學(xué)最大的通用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑為2.4米，郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）口徑雖然達(dá)到了4～6米級(jí)，但LAMOST是光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，難以進(jìn)行成像觀測(cè)。而歐美和日本10米級(jí)別的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)進(jìn)入天文研究二十多年，目前還有三臺(tái)口徑30米以上的巨型望遠(yuǎn)鏡正在建設(shè)之中。2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)直接來(lái)自10米的外國(guó)凱克望遠(yuǎn)鏡和歐洲甚大望遠(yuǎn)鏡（8米的4臺(tái)）對(duì)銀河系中心黑洞的長(zhǎng)期觀測(cè)。我們今天的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡滯后了太多。從更大一些的視野來(lái)看，目前世界上頂級(jí)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡都位于西半球，從這個(gè)角度上說(shuō)，在東半球建設(shè)頂級(jí)望遠(yuǎn)鏡也具有重要意義。如果天文學(xué)家需要觀測(cè)那些轉(zhuǎn)瞬即逝的目標(biāo)，那么望遠(yuǎn)鏡就必須盡量均勻地分布在全球各地。否則，在重要天體物理事件發(fā)生時(shí)，就有可能無(wú)從觀測(cè)。

夏威夷大島上的Mauna Kea天文臺(tái)。

2016年，我國(guó)光學(xué)天文的發(fā)展迎來(lái)了一個(gè)重大機(jī)遇_12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LOT）成為“十三五”時(shí)期優(yōu)先布局的10個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。國(guó)家有了資助天文學(xué)科發(fā)展國(guó)際水平設(shè)施的實(shí)力，天文家們倍感振奮之余，卻發(fā)現(xiàn)似乎并沒(méi)有準(zhǔn)備充分，其中的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是在哪兒放置這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。

光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡選址為何如此重要

要講述天文臺(tái)選址的故事，一個(gè)首先要回答的問(wèn)題是_在當(dāng)今太空技術(shù)相當(dāng)發(fā)達(dá)的時(shí)代，為什么還要在地面建設(shè)觀測(cè)設(shè)備？

答案也很直接_由于技術(shù)的限制，我們不可能把超大型的設(shè)備送入太空，而大型設(shè)備和與之匹配的儀器在現(xiàn)代和未來(lái)天文學(xué)、物理學(xué)領(lǐng)域中探索極致問(wèn)題時(shí)是不可或缺的。

第二個(gè)問(wèn)題是，為什么對(duì)大型望遠(yuǎn)鏡設(shè)施的臺(tái)址那么挑剔？

地基天文觀測(cè)都是透過(guò)地球大氣進(jìn)行觀測(cè)，地球大氣中的物質(zhì)成分對(duì)來(lái)自天體的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生吸收，臺(tái)址上空的大氣越薄，吸收就越少，因此我們需要去海拔盡可能高的地方選址。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)。當(dāng)然，同時(shí)還要夜空晴朗，否則我們根本看不見(jiàn)星空。除此之外，地球的大氣是不穩(wěn)定的，沿望遠(yuǎn)鏡視線方向的無(wú)規(guī)律大氣湍流會(huì)扭曲來(lái)自天體的光線，這就是所謂的視寧度。對(duì)于現(xiàn)代和未來(lái)的大型設(shè)備而言，視寧度非常重要。

經(jīng)典的天文臺(tái)，比如聞名世界的英國(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。這些古老天文臺(tái)定址都是由科學(xué)之外的因素主導(dǎo)，在他們建設(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。現(xiàn)在看來(lái)，這些天文臺(tái)都成了歷史遺跡和地標(biāo)文物。

近代的天文臺(tái)逐漸開(kāi)始重視選址。但凡專(zhuān)業(yè)的天文臺(tái)，其建設(shè)過(guò)程的第一步就是嚴(yán)格選址。天文臺(tái)選址是一系列因素的綜合考量，除了臺(tái)址本身的參數(shù)外，還包括天文望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)、資金預(yù)算、技術(shù)和運(yùn)維支撐等等。對(duì)天文臺(tái)參數(shù)的要求也是隨著技術(shù)的發(fā)展逐步提高，有時(shí)甚至是苛刻的，比如正在建設(shè)的超大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（外國(guó)牽頭的30米TMT和歐洲合建的39米E-ELT）臺(tái)址的選擇。

隨著城市現(xiàn)代化程度的提升和人口的增長(zhǎng)，特別是望遠(yuǎn)鏡口徑的擴(kuò)大、探測(cè)設(shè)備靈敏度的提高和對(duì)科學(xué)目標(biāo)的重視，城市燈光對(duì)天文觀測(cè)的影響變得不可接受。紫金山天文臺(tái)、云南天文臺(tái)、興隆觀測(cè)基地等都因?yàn)槌鞘械牧粱艿搅瞬煌潭鹊挠绊憽?/p>

我們先來(lái)看看世界上最好的天文臺(tái)都是什么情況。南極的冰蓋之上，具有世界上最穩(wěn)定、最透明的大氣，這是逼近亞空間的觀測(cè)條件。當(dāng)然，選址以及后期的建設(shè)和運(yùn)行成本也是直逼空間設(shè)施，這是不利因素。除此之外，世界上頂尖質(zhì)量的臺(tái)址非常有限，比如夏威夷大島上的Mauna Kea天文臺(tái)和智利北部阿塔卡瑪沙漠地區(qū)的天文臺(tái)，還有相對(duì)次一等的西班牙加那利群島上的天文臺(tái)。

先不談臺(tái)址的觀測(cè)條件參數(shù)，這些頂級(jí)的天文臺(tái)從地貌上看就跟經(jīng)典的天文臺(tái)大不一樣。這些天文臺(tái)無(wú)一例外都是處于鮮有植被的干旱地區(qū)，看起來(lái)都是荒漠和裸巖。最佳的天文臺(tái)址一定是寸草不生的，因?yàn)楦稍餆o(wú)雨、大氣稀薄等望遠(yuǎn)鏡所需要的環(huán)境特征，明顯與植物的生存條件相悖；另一方面，植物蒸騰效應(yīng)帶來(lái)的水汽又會(huì)影響天文觀測(cè)質(zhì)量。

所以，我國(guó)現(xiàn)代天文臺(tái)選址的基本方向，就是走向高原、走向人跡罕至的地域。

青藏高原擁有無(wú)可比擬的地基天文觀測(cè)優(yōu)勢(shì)

對(duì)于規(guī)劃中的12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LOT）的選址，我們的選擇當(dāng)然不可能是已經(jīng)建設(shè)成熟的現(xiàn)有臺(tái)址，因?yàn)榧幢闶钱?dāng)前觀測(cè)條件最好的高美古，也無(wú)法充分發(fā)揮這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)能力。實(shí)際上，我國(guó)天文界未雨綢繆，針對(duì)將來(lái)可能的大口徑望遠(yuǎn)鏡的選址工作早在2000年就已經(jīng)展開(kāi)，目標(biāo)就是青藏高原！

最初的選址工作異常困難，這可能是所有現(xiàn)代天文臺(tái)選址必須面對(duì)的。2009年國(guó)家天文臺(tái)加入了國(guó)際恒星觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（SONG）并建設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于經(jīng)費(fèi)的限制和項(xiàng)目對(duì)臺(tái)址相對(duì)較低的科學(xué)要求，我們選址了具有良好支撐條件的紫金山天文臺(tái)青海觀測(cè)站（位于德令哈市）。由于該站是一個(gè)射電天文基地，其光學(xué)參數(shù)不甚明晰，項(xiàng)目組花了5年的時(shí)間對(duì)青海站的光學(xué)觀測(cè)條件進(jìn)行了認(rèn)證，確認(rèn)那里可以滿(mǎn)足SONG的科學(xué)目標(biāo)要求。

始料未及的是，德令哈在10年后進(jìn)入了發(fā)展的快車(chē)道。到2017年，德令哈方向的背景亮度增加近1000倍，城市亮化到了直接影響SONG觀測(cè)的程度。

在機(jī)緣巧合下，我們選址團(tuán)隊(duì)受到青海省海西州冷湖地區(qū)政府的邀請(qǐng)，前往青海冷湖鎮(zhèn)尋找天文臺(tái)址，這是天文學(xué)家首次以選址的目的來(lái)到冷湖。

冷湖鎮(zhèn)在上世紀(jì)六七十年代時(shí)，曾因石油開(kāi)采一度增長(zhǎng)到10萬(wàn)人口，但隨著石油資源逐漸枯竭，冷湖再度回到幾乎無(wú)人的狀態(tài)。

地基天文觀測(cè)受到大氣厚度影響，海拔越高，大氣越薄，受到的影響就越小。自然，世界屋脊青藏高原在這方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但冷湖之前并沒(méi)有落入天文臺(tái)址的候選范圍_因?yàn)樗揉徦死敻缮衬由媳镜氐娘L(fēng)蝕地貌，前人擔(dān)心風(fēng)沙會(huì)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行造成影響。

不過(guò)，物理規(guī)律告訴我們，沙塵濃度應(yīng)該隨著高度而呈指數(shù)衰減，只要有相對(duì)隆起、足夠陡、足夠高的山地，沙塵對(duì)臺(tái)址就應(yīng)該不是問(wèn)題。2017年10月，選址團(tuán)隊(duì)委托當(dāng)?shù)卣x出了幾個(gè)冷湖鎮(zhèn)附近的山峰，他們確認(rèn)鎮(zhèn)東部的賽什騰山滿(mǎn)足條件。

在選址團(tuán)隊(duì)到來(lái)之前，賽什騰山還是一座處女峰_未被人攀登過(guò)。在2021年7月山路貫通之前，選址團(tuán)隊(duì)想上山頂，通常只能靠雙腿攀登。后來(lái)為了進(jìn)一步考察，選址團(tuán)隊(duì)使用了海西州政府的直升機(jī)在山頂搭建觀測(cè)平臺(tái)，設(shè)置科學(xué)儀器。

僅憑肉眼的直覺(jué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法作為選址依據(jù)的，選址團(tuán)隊(duì)在山頂架設(shè)的一批科學(xué)儀器可以檢測(cè)氣象、晴夜占比、天文大氣總視寧度、天光背景，以及人們此前最擔(dān)心的風(fēng)沙（多種參數(shù)，以空氣質(zhì)量指數(shù)PM10為代表）等數(shù)據(jù)。同時(shí)，選址團(tuán)隊(duì)用氣象數(shù)據(jù)擬合了可靠的可沉降水汽指標(biāo)等數(shù)據(jù)，還專(zhuān)門(mén)建設(shè)了一個(gè)網(wǎng)站實(shí)時(shí)公開(kāi)這些數(shù)據(jù)。公開(kāi)選址數(shù)據(jù)是為了工作的可信度。

自2018年3月以來(lái)，這些儀器幾乎一刻不停地收集著各項(xiàng)數(shù)據(jù)。最終，選址團(tuán)隊(duì)將這些數(shù)據(jù)整理成論文，發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。

冷湖臺(tái)址區(qū)域的優(yōu)質(zhì)晴夜時(shí)間（天文上的測(cè)光夜）占比達(dá)70_，外加大約15_的部分有云的光譜觀時(shí)間，每年天文觀測(cè)可用的時(shí)間達(dá)300天。冷湖地區(qū)屬極度干旱地區(qū)。有研究顯示，在過(guò)去60年中，冷湖的年均降水12毫米，但蒸發(fā)量卻高達(dá)3000毫米以上。

我們的分析印證了歷史資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)論，這里夜間可沉降水汽柱密度在2毫米以下的時(shí)間占比優(yōu)于外國(guó)的Mauna Kea天文臺(tái)（54_），遠(yuǎn)低于智利和其他地區(qū)的大型光學(xué)天文臺(tái)。根據(jù)賽什騰山C區(qū)的實(shí)際測(cè)量，夜間臺(tái)址點(diǎn)氣溫起伏（峰谷差）中位值僅為2.5℃，這意味著地面層的大氣非常穩(wěn)定。該區(qū)域的風(fēng)以西北方向?yàn)橹鲗?dǎo)，風(fēng)速的中位值小于5米每秒。

對(duì)天文觀測(cè)而言，光學(xué)視寧度無(wú)疑是最受關(guān)注的臺(tái)址參數(shù)。光學(xué)視寧度的積分量，即總視寧度一般用DIMM獲得。在剔除熱門(mén)和天氣影響后，截至2021年12月31日的DIMM視寧度中位值為0.75角秒，與世界其他頂級(jí)天文臺(tái)相比，基本持平。

數(shù)據(jù)顯示，4200米的賽什騰山C區(qū)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)秀，而有限的幾次弱沙塵過(guò)程很容易防護(hù)，對(duì)天文觀測(cè)和設(shè)備沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響。

2021年七夕的銀河拱門(mén)，拍攝于施工中的賽什騰C點(diǎn)，賽什騰山臺(tái)址質(zhì)量的所有數(shù)據(jù)均在此采集完成。洪文瀚攝

2021年冬季賽什騰山天文基地建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)雪后夕照，遠(yuǎn)處是遼闊的柴達(dá)木盆地。鄧?yán)畈艛z

冷湖地區(qū)天文觀測(cè)臺(tái)址的發(fā)現(xiàn)打破了長(zhǎng)期制約我國(guó)光學(xué)天文觀測(cè)發(fā)展的瓶頸，不僅為我國(guó)光學(xué)天文發(fā)展創(chuàng)造了重大機(jī)遇，而且冷湖所在的地理經(jīng)度區(qū)域內(nèi)，尚屬世界大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的空白區(qū)，因此也是國(guó)際光學(xué)天文發(fā)展的寶貴資源。

隨著更多基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和進(jìn)一步測(cè)試的開(kāi)展，相信今后冷湖將成為國(guó)際光學(xué)天文研究的重要基地，成為人類(lèi)探索宇宙奧秘、培育原創(chuàng)性科學(xué)成果的重要策源地。