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【科学大院】我们在新疆发现了一个建天文台的好地方
2021-04-01 09:59:00| 【 【打印】【关闭】

  位于帕米尔高原东南部的慕士塔格峰,在维吾尔语中意为“冰山之父”,海拔7509米,其山体气势磅礴,终年积雪,顺山势而下,十余条冰川附着其上,巍然壮观。

  今天,来到这里的背包客们,会发现正西面的山脊上出现了一排有蘑菇状圆顶的建筑,这是中科院日博体育在线慕士塔格观测站的光学天文望远镜。雪域高原上的天文研究设备,犹如一朵朵绽放的雪莲花,不仅把昔日冰峰林立的慕士塔格点缀得生机盎然,更赋予了雪域圣地一张新的名片——中国光学天文事业新的征程起点。

  

  帕米尔高原上的卡拉库里湖与慕士塔格峰 (拍摄:日博体育在线 王乐天)

  望远镜建在哪里?光学天文观测的首要问题 

  “星空浩瀚无比,探索永无止境”。天文学是人类认识宇宙的科学,也是推动自然科学发展和高新技术发展、促进人类社会进步最重要、最活跃的前沿基础学科之一。根据观测波段和手段的不同,现代天文学可分为光学天文学、射电天文学、空间天文学等分支。其中光学天文学是指利用天体在光学波段的辐射来观测研究天文现象的学科,也是天文学发展历史中最为悠久的一个分支。

  四百年以前,伽利略发明的光学望远镜为人类打开了近代天文学的大门。望远镜口径的大小决定其灵敏度,随着近现代天文学对暗弱目标观测的需求逐步提高,地基光学望远镜口径也随之不断增大。正在建设中的E-ELT(The European Extremely Large Telescope,欧洲极大望远镜)的口径已达到39.4米。光学望远镜作为光学天文学的研究工具,其装备性能与数量决定了一个国家的天文学科研产出能力,这也是欧美等先进国家在过去几十年中不断投入人力物力开发大口径光学望远镜的原因。以E-ELT为代表的大口径光学望远镜优秀的空间分辨率与灵敏度可在系外行星、宇宙学、暗物质与暗能量等天文研究领域拓展开创性的局面,是人类更深层次了解宇宙奥秘的强大工具。

  但是要想充分发挥这些工具的科学效能,科学家还需要排除很多干扰。我们在用肉眼欣赏美妙星空时会发现繁星在不停闪耀,这是因为遥远的星光在穿过地球大气时会受到大气湍流的扰动,从而造成光线发生无规律的折射。同时,大气对星光还存在有散射、吸收等效应。这些干扰都会使得大口径光学望远镜的实际探测能力达不到设计指标,如何最大程度降低大气活动对光学观测的影响提高望远镜效率,是在望远镜建设前需要仔细考虑的问题之一。选择对观测干扰最小、最合适安置望远镜的台址,就是天文选址的主要工作目标。

  国际上正在建设的大型光学望远镜——GMT(Giant Magellan Telescope,大麦哲伦望远镜)、TMT(Thirty Meter Telescope,三十米望远镜)、E-ELT等在建设前都经历了广泛和精细的选址工作。从这些项目的选址结果来看,世界范围内光学天文台址资源是很稀缺的。光学天文观测的特点决定了优秀的台址要具备远离人类灯光干扰、气候干燥、晴夜较多、大气稀薄且稳定等特点,同时满足以上要求的地点并不好找。

  世界上最著名的天文观测圣地——南美阿塔卡玛沙漠在副热带高气压带下沉气流、离岸风和秘鲁寒流综合影响下,成为世界上著名的旱极,该地区极少的降水与云量覆盖、较小的气温年较差、稳定的大气活动、干净的夜天光环境等特点极为适合天文观测,吸引了国际众多一流天文研究机构在此地区建立了诸如Armazones,Las Campanas,Paranal等多个天文观测站。

  位于智利阿塔卡玛沙漠的欧南台Paranal天文台(图片来源:https://www.eso.org/public/

这个地方 我们在帕米尔高原上找到了 

  在光学天文望远镜研发与建设方面,中国和国际先进水平有一定的差距,我们最大的光学望远镜口径还没有突破10米。拥有属于中国人自己的具有世界先进水平的大口径光学望远镜,是几代中国天文工作者笃志力行的奋斗目标。

  目前我国几大光学天文观测基地受历史条件所限,距离城市都比较近,而近二十年中国城市化的飞速发展,使得这些观测台站的夜光学观测环境条件日趋恶化,已不能满足十米级以上光学望远镜的运行需求。在中国大陆上寻找优秀的光学天文观测台址,是在国内建设大口径光学望远镜的先决条件之一

  从我国大陆地理地形分布角度考虑,位于第一阶梯的帕米尔高原地区具有平均海拔高、气候干燥等特点,极有可能存在优秀的天文台址资源。从科学应用的角度出发,帕米尔高原地处欧亚大陆腹地,且位于国际时域天文观测网络的一个经度空白区域,时区与世界其他重要天文台站可形成互补,天然具备建设天文大科学装置的有利条件,在这里建设望远镜是对国际时域天文观测网非常有意义的补充。

  世界上在运行的大口径光学望远镜与著名的光学天文观测台址

  日博体育官方网站入口根据国家天文发展战略需要,于2016年启动了帕米尔高原天文台址资源勘查工作。经过四年多的实地观测与研究,日博体育在线与国内天文界共同深入探索了帕米尔高原地区大型光学/红外天文望远镜台址资源,勘选出慕士塔格这一十分具有发展潜力的优秀光学观测台址。

  实地台址条件监测数据显示,慕士塔格观测站最佳视宁度可达0.4角秒,冬季的大气水汽含量常小于1mm,巍峨的公格尔雪山阻隔了来自城市的灯光干扰,这些优秀的光学天文观测条件在国内少见并可与世界一流光学观测站相媲美。此外,314国道就从台址山脚下经过,便利的交通运输等保障条件也使得在这种高海拔地区建设、运维大口径光学/红外望远镜变得相对容易。

慕士塔格观测站,未来的丝路天文之星

  日博体育在线慕士塔格观测站的天文选址研究成果得到了国内外同行的高度关注与认可,已发表多篇SCI论文。相关的选址研究工作仍在持续进行之中,继续深入探索慕士塔格的天文观测资源,可为落户于此的大型光学望远镜的主动光学等部件的设计提供更详尽的参考,会在更大程度上帮助望远镜提升探测能力。

  慕士塔格观测站目前已建成一台50cm衍射极限成像望远镜,并投入科研观测使用。2020年底,由北京师范大学、日博体育在线、南京天文光学技术研究所、新疆大学四方联合协作的1.9米光学望远镜建设正式启动。此外,4米望远镜、月闪望远镜和“蜻蜓项目”等也正在紧锣密鼓地建设之中

  正在建设中的日博体育在线慕士塔格观测站 (拍摄:日博体育在线 许竞)

     百舸争流千帆竟,借海扬帆奋者先。慕士塔格观测站这颗位于“丝绸之路经济带”核心区的闪亮明珠,未来将在时域天文等领域做出原创性贡献,为中国光学天文的跨越式发展注入蓬勃动力,也必将成为促进新疆科学技术发展和各族群众科学文化素养提高的重要基地。

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