在地球上 哪里能看到最澄澈的星空?
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在地球上 哪里能看到最澄澈的星空?

2020年08月13日 07:46:35
来源:科学大院

被困在城市中的我们,希望仰天寻找繁星来获得慰藉的时候,看到的多半是高耸入云的大厦。偶尔有未被遮挡的天区也往往泛着五颜六色的光,严重的光污染笼罩着整片夜空。时机好一些可以看见月亮,而大部分时候则是一颗星星都看不到。

这样的地方肯定不是观星的好去处,普通的天文爱好者们都会对这样的地点避而远之。若想要建设新的天文台,人口密集区几乎会被直接pass掉(除非特别有钱)。除了避开城市的光污染,要考虑的因素还有很多。我们不光要对空气透明度、大气湍流、空气密度的稳定性进行评估,还要考虑该地区每年晴朗的天气如何,如果从事射电观测,还要兼顾到周边无线电信号的干扰程度。

综合以上考虑,天文台的建址都是选在远离城市的偏远地区,或在不知庐山真面目的高山里,或在只能靠望梅止渴续命的沙漠中,也可能在地白风色寒的极地处。

位于智利阿塔卡玛沙漠(世界“干极”)的欧南天文台(图片来源:国家地理)

位于智利阿塔卡玛沙漠(世界“干极”)的欧南天文台(图片来源:国家地理)

那么,地球上有没有最好的观测地点呢?如果有,那又在哪里呢?

冰穹A-最澄澈的星空!

近日,国际科学期刊《自然》杂志发布了中国科学院国家天文台商朝晖研究员团队的一项研究,已知证据表明,地球上的最佳天文观测点就是位于南极大陆上的冰穹A。

冰穹 A在南极大陆的位置 (图片来源:wikipedia.org)

冰穹 A在南极大陆的位置 (图片来源:wikipedia.org)

南极按地理可被分为东南极和西南极,冰穹A的地理位置接近东南极的中心。冰穹A之于南极相当于珠峰之于地球,它是南极洲上最高的冰盖。之所以说它是冰盖而不是山,是因为它并不像山那样直插云霄,看起来与平地无异。它的海拔为4,093 米,但是由于南极大陆整体是个高海拔地区,其相对高度也只有1,639 米。

“企鹅”登陆冰穹 A -源自中国第35次南极科考任务 (图片来源 :新华社)

“企鹅”登陆冰穹 A -源自中国第35次南极科考任务 (图片来源 :新华社)

对我们普通民众来说,想要亲自来看一看这里的星空确实是一件不太现实的事情。因为光是南极就离我们足够遥远的了,更何况冰穹 A还深入南极内陆1,200多公里,相当于从北京驾车前往上海的距离。同时,高海拔稀薄的大气也会让你退却,稍有不慎就会缺氧。还要留心的是,这里的严寒简直让人毛骨悚然。夏日温度为-40摄氏度左右,每年的冬天,冰穹A的温度时常会低于-80摄氏 度,甚至还曾有过低达 -98 摄氏度的极端温度(目前学术界对此低温尚存争议)。除了一些人工建设的实验室,这里几乎就是地球上最冷的地方。人类最寒冷的城镇是位于俄罗斯西伯利亚东北部的奥伊米亚康,最低温度是-71摄氏度,还不及冰穹A 冬季的平均温度。

人类生存最冷的城镇-奥伊米亚康 (图片来源:每日头条)

人类生存最冷的城镇-奥伊米亚康 (图片来源:每日头条)

所以距离、海拔、温度这三大因素(或许还有第四大因素:亿点点钱)让冰穹A 良好的观测环境只能为少数人见证。令人自豪的是,这一绝妙的地点首先是被我们中国人造访的。15年前,也就是2005年,我国南极科考队的成员从中山站跨越了1,228公里到达了冰穹 A。

那么,这里的星空澄澈在哪里呢?

这就要考虑一个重要的可度量指标——视宁度

为什么大炮射不中星星?

关于视宁度我先卖个关子,大家来看个脑筋急转弯——为什么大炮射不中星星?先别说什么炮弹出膛的速度达不到第二宇宙速度所以射不中星星云云,那样玩脑筋急转弯只会被气死……答案相信大家都不陌生了,是因为星星会“闪”。

不过,星星可不止会“闪”而已。地球是有大气的,由内而外逐渐稀薄。遥远的星光想要被我们捕捉到就得穿过这些密度不一的空气介质。折射定律告诉我们,光线通过的时候还会发生偏折。要命的是,大气不是像钢板一样,温度不均的空气会带来各种湍流,并且大的湍流里还有小湍流,把空气搅拌得像糨糊,这团糨糊还是时时刻刻变化的。如果我们将未被大气“污染”的星空比作4 K 120帧的视频,那么我们在普通条件下看到的就是480 p 30帧的糟心画面。

这样一来,星星不光会“闪”,还会“糊”,反映在我们望远镜中看到的结果类似下面这样子。

这是一张长时间曝光某颗星星得到的照片,反映了在一段时间内星星在望远镜的视野里的位置有变化。我们平时用业余望远镜也可以看到出现在目镜中的星星有些晃动,那多半是你的支架不稳,提醒你该加钱升级三脚架了(图片来源:维基百科词条-视宁度)

这是一张长时间曝光某颗星星得到的照片,反映了在一段时间内星星在望远镜的视野里的位置有变化。我们平时用业余望远镜也可以看到出现在目镜中的星星有些晃动,那多半是你的支架不稳,提醒你该加钱升级三脚架了(图片来源:维基百科词条-视宁度)

(图片来源:britastro.org)

(图片来源:britastro.org)

同一望远镜在不同的视宁度下看木星的对比图,可见右边较差的条件下只能依稀看到条纹,大红斑几乎不可见是的,与望远镜价格无关,再贵、再精密的镜子也会有模糊的情况。我们用视宁度来评价这种模糊度。所谓视宁度,其科学上的定义是描述天文观测的目标受大气湍流的影响而看起来变得模糊和闪烁的程度的物理量。它通常用角度来表示,角度越小说明视宁度越好,我们就能理所当然的看到更澄澈的星空。严格来说,探究视宁度属于大气科学研究的范畴,天文研究者们通常只管测数值,而很少去建立气象模型来专门分析它。

了解一些分辨率概念的同学应该知道,望远镜的口径越大,它的分辨率就越高,就愈能将远处两个相邻的物体分辨开来,我们看到的画面就更加清晰。

望远镜的分辨率公式,λ指代光的波长,可见光一般是300-800 nm之间,D是望远镜的直径,θ就是望远镜所能看到的最小分辨角了

望远镜的分辨率公式,λ指代光的波长,可见光一般是300-800 nm之间,D是望远镜的直径,θ就是望远镜所能看到的最小分辨角了

如此一番算下来,那些大型望远镜理论上可以达到毫角秒的分辨率(1度=3600角秒),但是由于大气的作用,理论分辨率总是达不到的。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,那里的视宁度一般为0.6-0.8 角秒,可惜离穷尽望远镜本身的性能还是差的很远。

面对这样的难题我们通常有两条路,一条是走哈勃望远镜那样的太空路。可惜太空路又复杂又烧钱,万一仪器出了事故维修起来很麻烦,要不詹姆斯韦伯望远镜怎么现在还不上天呢。另一条路则是立足于地面,走自适应光学这条路,来尝试补偿大气抖动带来的误差。不过这套从90年代应用到天文上的技术毕竟只能做到补偿,不可能完全消去误差,所以继续开展探索地球上最佳观测点的任务也在情理之中了。

事实上,视宁度的概念离我们并不遥远,普通天文爱好者们也常和它打交道。只要随便下载一个晴天钟这样的app,里面就会出现视宁度这一栏信息。圆圈越小,说明视宁度数值越小,观测效果越好。

软件显示的国家天文台密云站有关信息

软件显示的国家天文台密云站有关信息

背后的考察工作

南极这一与世隔绝的地方没什么人类活动的痕迹,整体海拔高,光害小,只要能解决严寒情况下的设备运行问题,自然是一个建造天文观测台址的好地方。并且在高纬度条件下,利用特有的极夜场景,可以让我们连续24小时追踪某些我们感兴趣的天区。

这一回对冰穹A 的探测发现,这个地方视宁度最低可以达到0.13 角秒,长期测量测到的平均视宁度也为0.31 角秒,比我们以往的选址地实在好太多。在冰穹 A最优结果出来之前,一直是冰穹 C视宁度数据处于相对领先的地位,平均数值在0.23-0.26 角秒左右。

其实很久之前学术界就猜测冰穹 A应当是地球上的最佳观测地点了。从2005年开始,我国科考队就踏足这一区域,完成了对冰穹 A 的考察,并为在此建站做了准备工作。2009年,我们在此建立了我们的第三个南极科考站-昆仑站,同时,它还是国内首个南极内陆科考站,位居整个南极之巅。往后的科考队开始陆续在此建立观测设备。

这次关于冰穹A的观测结果,还得依赖于2019年第35次科考所做的工作。商朝晖研究员负责天文这部分的事务,并部署了新的昆仑望远镜(全名为昆仑差分图像运动监视器,英文简称为 KL-DIMM)。昆仑望远镜的主要任务还是来测视宁度,可以让我们定量评估这一位于冰穹A 的昆仑站天文台址特性。

有趣的是,它并不是被直接固定在地面上,而是被放置在了8 m的高塔架上。这是因为这里的大气边界层厚度低,大约只有13.9 m,只要在这个高度之上,就可以避免地面的湍流,从而得到极其优异的视宁度。同时,塔架的架设也是极为巧妙,能够在8 m/s 的风速下,让顶部平台的晃动小于3 mm,要观测的星星就会被牢牢地限定在我们的视野里,不会再“闪没”了。

一对昆仑望远镜和塔架 (图片来源:商朝晖)

一对昆仑望远镜和塔架 (图片来源:商朝晖)

和我们搭积木一样,摞得越高越容易倒。我们的塔架想要在14 m的高度下保持稳定会比较难,但要和隔壁冰穹C 比起来,就容易多了。冰穹C 处边界层的厚度大约为30 m,要想在此处达到和我们类似的观测效果,需要搭一个三十多米的高稳定塔架,这项工作实在又费脑子又费钱。

此前我们一直认为冰穹A 观星好,但是具体好在哪里还缺乏足够的数据支撑。通过这一次积累的视宁度数据,结合附近一起工作的多个气象观测设备,让我们有足够的理由相信冰穹 A是最好的,我们离在此建设望远镜也不远了。

随行布置的 多层自动气象站KLAWS-2G(左) 和两台 云量极光监测仪KLCAM(右箭头所指) (图片来源:商朝晖)

随行布置的 多层自动气象站KLAWS-2G(左) 和两台 云量极光监测仪KLCAM(右箭头所指) (图片来源:商朝晖)

一点点展望

在南极搭镜子确实比在太空方便很多,不过即便是后期维护方便,如此低温的情形下让人长期驻守也不现实。所以在南极尤其是冰穹A上建设新的望远镜时,一定要保证良好的稳定性,使其可以适应超低温工作,让我们在家中就能操控终端进行观测。

事实上,我们现在就是这么干的。昆仑望远镜的工作压根不需要有人在现场值守,它被设计的时候就考虑到了在零下80度的条件下工作。至于供电方面我们也不需担心,南极严寒日照能量低,用太阳能面板又贵又麻烦,能量还不一定能满足需要,所以我们干脆就在望远镜旁放上一个充满蓄电池的集装箱,又方便又稳定。一个箱子包用一年,反正每年都会有科考任务,到时候直接来这换电池就好了,也不会费太多时间。

昆仑站天文工作场地 (图片来源:国家天文台)

昆仑站天文工作场地 (图片来源:国家天文台)

要是专门派人员在这里看着,物资补给是个问题,整日与冰雪为伴也确实无聊了点。毕竟,没有谁愿意一年四季都挨冻,难道全程自动化它不香吗?

其实,冰穹A这个地方以后不仅适合可见光学望远镜,极其干燥的气候环境伴随着干净的电磁环境,也尤为适合射电望远镜的工作。在太赫兹波段的环境测量可以让这里的射电望远镜观测到更多的电磁波段......

总之,这是一块宝地,以后是少不了为我们国内的天文事业添砖加瓦的。