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    南极之巅仰望苍穹

    发布时间:2021-09-10 16:57:00来源: 光明网

      何处觅星光?选台址可能是天文领域中最艰苦的工作之一。城市快速发展,灯光污染、空气污染等都对天文观测造成影响,天文学家也将目光投向了条件更好的西部。2003年,国家天文台部署启动了重大科研计划——中国西部天文战略选址,针对我国西部地区潜在的优良天文台址进行考察和选择。(阿里、冷湖、稻城、帕米尔高原的选址故事)

      除了西部选址计划,还有一个地方也被不畏艰险的天文学家们“惦记”上了,那就是真正远在天边的南极!南极大陆被冰雪覆盖,极寒和极端干燥等恶劣的自然环境不适于任何生物生存。然而,也正是这样特殊的地理大气条件,给了天文观测研究特殊的机遇。

      中国南极天文的主要工作在南极内陆冰穹A。冰穹A是南极冰盖的最高点,海拔4100米(南纬80°25′01″,东经77°06′58″),下面冰层厚度可达3000多米,冬季气温经常低于零下80度,被称为“不可接近之极”。

      2005年1月,中国第21次南极科学考察队率先登顶了冰穹A,并在2008-2009年度建立了中国第三个南极科考站,也是中国第一个南极内陆科考站——昆仑站,给中国天文也带来了新的契机。

      冰穹A的地理和大气条件给了天文研究独一无二的优势。极夜可以连续24小时不间断观测,这对时域天文可遇不可求;清洁而稳定的大气,预测有优异的视宁度,可以保证对天体的观测更加清晰;寒冷和干燥的环境又极为有利于红外和亚毫米波段的观测。

      冰穹A的台址测量设备

      在冰穹A安装天文设备始于2007-2008年中国第24次南极科考,科考设备同时兼顾台址测量和天文研究。

      第一代光学望远镜中国小望远镜阵(CSTAR)

      由4台口径14.5厘米、配不同颜色滤光片的小望远镜组成,主要用于确认冰穹A的光学观测条件和变星研究。

      第二代光学望远镜南极巡天望远镜(AST3)

      计划有3台同样的望远镜,在不同的颜色波段同时进行观测,比CSTAR大很多,口径为50厘米,是全功能的望远镜,可以指向天空任何方向并跟踪,主要用于时域天文的研究,监测各种天体随时间的变化,发现新的天体。

      最近的昆仑视宁度望远镜(KL-DIMM),专门用来测量冰穹A的视宁度,配有一套完善的控制、观测和数据处理系统,实时校正望远镜的指向和跟踪,实现对亮星(老人星)的闭环导星、长期跟踪观测。

      在光学波段,还有广角90°的Gattini相机和180°全天相机—昆仑云量和极光监测仪(KLCAM),也用于对光学观测条件的测量和研究。

      历年来安装运行的其它监测设备还包括——

      大气监测设备:

      声雷达(SNODAR)

      研究近地面大气逆温层的昆仑多层自动气象站(KLAWS)

      太赫兹设备:

      高海拔南极太赫兹望远镜原型机(pre-HEAT)

      傅里叶频谱仪(FTS),专门用于测量大气在这个波段的透过率

      由于昆仑站目前还只是度夏站,冬季无人值守。因此,当科考队员离开昆仑站后,所有设备都必须在无人值守的情况下自动运行。为此,我们与澳大利亚科学家合作为昆仑站天文项目定制了一套能源和通讯系统——高原观测站(PLATO),集成太阳能和传统发电机,配备卫星通讯,可以保障现场设备的越冬运行,并支持远程对设备的监测和控制。为应对冰穹A极端的环境,所有设备都针对低温和冰雪进行了特殊设计和防护。同时,有一套运行控制和数据系统,负责完成无人值守的观测和实时数据处理等工作。

      历年来,昆仑站天文场地的各种设备也根据需求进行了维护更新。目前仍在现场的设备包括KL-DIMM、KLAWS、KLCAM和一台AST3望远镜。

      冰穹A的稳定大气和优异视宁度

      南极是地球上被污染最少的大陆,空气洁净,尘埃极少,因此散射光也极小。冰穹A的大气也非常稳定。利用KLAWS,我们发现冰穹A的大气在大部分时间都存在非常强的逆温现象,与通常上冷下热的大气不一样。在这里,越冷因而越重的空气越接近雪面,而温度较高的轻空气则在上层,所以称为逆温。通常在城市或一般天文台没有逆温,热空气上升、冷空气下降,引起大气对流并产生湍流,造成很差的视宁度。而在逆温情况下,没有大气的垂直对流,因而大气非常稳定,可以有非常好的视宁度。

      冰穹A有70%的时间在雪面之上就存在逆温。随着高度增加,逆温出现得就更频繁,在6米的高度,有95%的时间都是逆温的稳定大气。此外,与湍流相关的还有大气的分层。大气湍流源于空气与地表的能量交换或大气运动时与地表凸起部分的相互作用。冰穹A的地表平坦,大气结构简单。我们可以把大气及湍流分布简化为两层:大气湍流主要集中在近地表的大气边界层,而在边界层之上的自由大气非常稳定,湍流很小,有极好的视宁度。

      在一般的天文台址,边界层厚度通常在几百米甚至几公里,而在冰穹A,SNODAR的测量表明,其边界层厚度的中值只有近14米。因此,我们可以把望远镜建在高处,很容易避开边界层的湍流,从而获得自由大气的优异视宁度。这是冰穹A最大的优势之一。

      天文观测对成像质量要求极高,目前世界上最好的望远镜集中在夏威夷和智利北部优良的台址上,视宁度一般在0.6-0.8角秒。最新的KL-DIMM的数据分析表明,冰穹A的自由大气视宁度的中值只有0.31角秒,最佳值达到0.13角秒,并且在离地面8米的高度,就有31%的时间可以获得自由大气视宁度;在离地面14米的高度,有近一半的时间可以获得自由大气视宁度。相比较而言,同在南极的冰穹C(法国和意大利考察站),在30米的高度,才有一半的时间可以获得自由大气视宁度。因此,不仅在冰穹A可以更容易获得自由大气视宁度,而且也更易于未来的工程建设。

      冰穹A有地面最佳天文观测条件

      经过10余年的努力,我们对中国南极昆仑站所在的冰穹A地区的天文观测条件已经有了长足的认识。在光学波段,不仅有极暗的天光和更高的晴夜率,而且还具有极佳的大气视宁度。同时,它也是地面最干燥的地区,在太赫兹波段有最佳的大气透过率。

      虽然在红外波段,尚需要定量的实际测量数据,但极冷就意味着红外天光背景极暗,基本可以推定有很好的红外观测条件。综合多波段的结果,冰穹A地区的天文观测条件优于已知的其它任何地面台址,可以极大地提高观测效率和观测质量。这些不仅确认了昆仑站有珍贵的天文观测台址资源,也为我国进一步开展南极天文研究、未来的仪器设计和建造以及昆仑站的建设奠定了科学的基础。

      作者简介:商朝晖,国家天文台南极天文与时域天文研究团组首席科学家、博士生导师,中国第35次南极科考昆仑站队队长。

      文稿编辑:赵宇豪

    (责编: 常邦丽)

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