下一代大型光学天文望远镜的“家”在哪里?专(2)
经典的天文台,比如闻名世界的英国格林尼治天文台、伽利略工作过的意大利帕多瓦天文台,都建在城市里或近郊。这些古老天文台定址都是由科学之外的因素主导,在他们建设的时代望远镜口径很小,观测也主要以目视为主,而且那时城市几乎没有光污染。现在看来,这些天文台都成了历史遗迹和地标文物。
近代的天文台逐渐开始重视选址。但凡专业的天文台,其建设过程的第一步就是严格选址。天文台选址是一系列因素的综合考量,除了台址本身的参数外,还包括天文望远镜的科学目标、资金预算、技术和运维支撑等等。对天文台参数的要求也是随着技术的发展逐步提高,有时甚至是苛刻的,比如正在建设的超大型光学望远镜(美国牵头的30米TMT和欧洲合建的39米E-ELT)台址的选择。
随着城市现代化程度的提升和人口的增长,特别是望远镜口径的扩大、探测设备灵敏度的提高和对科学目标的重视,城市灯光对天文观测的影响变得不可接受。紫金山天文台、云南天文台、兴隆观测基地等都因为城市的亮化受到了不同程度的影响。
我们先来看看世界上最好的天文台都是什么情况。南极的冰盖之上,具有世界上最稳定、最透明的大气,这是逼近亚空间的观测条件。当然,选址以及后期的建设和运行成本也是直逼空间设施,这是不利因素。除此之外,世界上顶尖质量的台址非常有限,比如夏威夷大岛上的Mauna Kea天文台和智利北部阿塔卡玛沙漠地区的天文台,还有相对次一等的西班牙加那利群岛上的天文台。
先不谈台址的观测条件参数,这些顶级的天文台从地貌上看就跟经典的天文台大不一样。这些天文台无一例外都是处于鲜有植被的干旱地区,看起来都是荒漠和裸岩。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。
所以,我国现代天文台选址的基本方向,就是走向高原、走向人迹罕至的地域。
青藏高原拥有无可比拟的地基天文观测优势
对于规划中的12米光学红外望远镜(LOT)的选址,我们的选择当然不可能是已经建设成熟的现有台址,因为即便是当前观测条件最好的高美古,也无法充分发挥这台望远镜的科学能力。实际上,我国天文界未雨绸缪,针对将来可能的大口径望远镜的选址工作早在2000年就已经展开,目标就是青藏高原!
最初的选址工作异常困难,这可能是所有现代天文台选址必须面对的。2009年国家天文台加入了国际恒星观测网络(SONG)并建设一个节点。由于经费的限制和项目对台址相对较低的科学要求,我们选址了具有良好支撑条件的紫金山天文台青海观测站(位于德令哈市)。由于该站是一个射电天文基地,其光学参数不甚明晰,项目组花了5年的时间对青海站的光学观测条件进行了认证,确认那里可以满足SONG的科学目标要求。
始料未及的是,德令哈在10年后进入了发展的快车道。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响SONG观测的程度。
在机缘巧合下,我们选址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。
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。
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。
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。后来为了进一步考察,选址团队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,选址团队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,以空气质量指数PM10为代表)等数据。同时,选址团队用气象数据拟合了可靠的可沉降水汽指标等数据,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。
文章来源:《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/zonghexinwen/2021/0901/548.html