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作者：乘涼（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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被困在城市中的我們，希望仰天尋找繁星來(lái)獲得慰藉的時(shí)候，看到的多半是高聳入云的大廈。偶爾有未被遮擋的天區(qū)也往往泛著五顏六色的光，嚴(yán)重的光污染籠罩著整片夜空。時(shí)機(jī)好一些可以看見月亮，而大部分時(shí)候則是一顆星星都看不到。

這樣的地方肯定不是觀星的好去處，普通的天文愛好者們都會(huì)對(duì)這樣的地點(diǎn)避而遠(yuǎn)之。若想要建設(shè)新的天文臺(tái)，人口密集區(qū)幾乎會(huì)被直接pass掉（除非特別有錢）。除了避開城市的光污染，要考慮的因素還有很多。我們不光要對(duì)空氣透明度、大氣湍流、空氣密度的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，還要考慮該地區(qū)每年晴朗的天氣如何，如果從事射電觀測(cè)，還要兼顧到周邊無(wú)線電信號(hào)的干擾程度。

綜合以上考慮，天文臺(tái)的建址都是選在遠(yuǎn)離城市的偏遠(yuǎn)地區(qū)，或在不知廬山真面目的高山里，或在只能靠望梅止渴續(xù)命的沙漠中，也可能在地白風(fēng)色寒的極地處。

位于智利阿塔卡瑪沙漠（世界“干極”）的歐南天文臺(tái)（圖片來(lái)源：國(guó)家地理）

那么，地球上有沒有最好的觀測(cè)地點(diǎn)呢？如果有，那又在哪里呢？

冰穹A-最澄澈的星空！

近日，國(guó)際科學(xué)期刊《自然》雜志發(fā)布了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)商朝暉研究員團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究，已知證據(jù)表明，地球上的最佳天文觀測(cè)點(diǎn)就是位于南極大陸上的冰穹A。

冰穹 A在南極大陸的位置 （圖片來(lái)源：wikipedia.org）

南極按地理可被分為東南極和西南極，冰穹A的地理位置接近東南極的中心。冰穹A之于南極相當(dāng)于珠峰之于地球，它是南極洲上最高的冰蓋。之所以說(shuō)它是冰蓋而不是山，是因?yàn)樗⒉幌裆侥菢又辈逶葡?，看起?lái)與平地?zé)o異。它的海拔為4,093 米，但是由于南極大陸整體是個(gè)高海拔地區(qū)，其相對(duì)高度也只有1,639 米。

“企鵝”登陸冰穹 A -源自中國(guó)第35次南極科考任務(wù) （圖片來(lái)源 ：新華社）

對(duì)我們普通民眾來(lái)說(shuō)，想要親自來(lái)看一看這里的星空確實(shí)是一件不太現(xiàn)實(shí)的事情。因?yàn)楣馐悄蠘O就離我們足夠遙遠(yuǎn)的了，更何況冰穹 A還深入南極內(nèi)陸1,200多公里，相當(dāng)于從北京駕車前往上海的距離。同時(shí)，高海拔稀薄的大氣也會(huì)讓你退卻，稍有不慎就會(huì)缺氧。還要留心的是，這里的嚴(yán)寒簡(jiǎn)直讓人毛骨悚然。夏日溫度為-40攝氏度左右，每年的冬天，冰穹A的溫度時(shí)常會(huì)低于-80攝氏 度，甚至還曾有過低達(dá) -98 攝氏度的極端溫度（目前學(xué)術(shù)界對(duì)此低溫尚存爭(zhēng)議）。除了一些人工建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室，這里幾乎就是地球上最冷的地方。人類最寒冷的城鎮(zhèn)是位于俄羅斯西伯利亞東北部的奧伊米亞康，最低溫度是-71攝氏度，還不及冰穹A 冬季的平均溫度。

人類生存最冷的城鎮(zhèn)-奧伊米亞康 （圖片來(lái)源：每日頭條）

所以距離、海拔、溫度這三大因素（或許還有第四大因素：億點(diǎn)點(diǎn)錢）讓冰穹A 良好的觀測(cè)環(huán)境只能為少數(shù)人見證。令人自豪的是，這一絕妙的地點(diǎn)首先是被我們中國(guó)人造訪的。15年前，也就是2005年，我國(guó)南極科考隊(duì)的成員從中山站跨越了1,228公里到達(dá)了冰穹 A。

那么，這里的星空澄澈在哪里呢？

這就要考慮一個(gè)重要的可度量指標(biāo)——視寧度！

為什么大炮射不中星星？

關(guān)于視寧度我先賣個(gè)關(guān)子，大家來(lái)看個(gè)腦筋急轉(zhuǎn)彎——為什么大炮射不中星星？先別說(shuō)什么炮彈出膛的速度達(dá)不到第二宇宙速度所以射不中星星云云，那樣玩腦筋急轉(zhuǎn)彎只會(huì)被氣死……答案相信大家都不陌生了，是因?yàn)樾切菚?huì)“閃”。

不過，星星可不止會(huì)“閃”而已。地球是有大氣的，由內(nèi)而外逐漸稀薄。遙遠(yuǎn)的星光想要被我們捕捉到就得穿過這些密度不一的空氣介質(zhì)。折射定律告訴我們，光線通過的時(shí)候還會(huì)發(fā)生偏折。要命的是，大氣不是像鋼板一樣，溫度不均的空氣會(huì)帶來(lái)各種湍流，并且大的湍流里還有小湍流，把空氣攪拌得像糨糊，這團(tuán)糨糊還是時(shí)時(shí)刻刻變化的。如果我們將未被大氣“污染”的星空比作4 K 120幀的視頻，那么我們?cè)谄胀l件下看到的就是480 p 30幀的糟心畫面。

這樣一來(lái)，星星不光會(huì)“閃”，還會(huì)“糊”，反映在我們望遠(yuǎn)鏡中看到的結(jié)果類似下面這樣子。

這是一張長(zhǎng)時(shí)間曝光某顆星星得到的照片，反映了在一段時(shí)間內(nèi)星星在望遠(yuǎn)鏡的視野里的位置有變化。我們平時(shí)用業(yè)余望遠(yuǎn)鏡也可以看到出現(xiàn)在目鏡中的星星有些晃動(dòng)，那多半是你的支架不穩(wěn)，提醒你該加錢升級(jí)三腳架了（圖片來(lái)源：維基百科詞條-視寧度）

同一望遠(yuǎn)鏡在不同的視寧度下看木星的對(duì)比圖，可見右邊較差的條件下只能依稀看到條紋，大紅斑幾乎不可見 （圖片來(lái)源：britastro.org）

是的，與望遠(yuǎn)鏡價(jià)格無(wú)關(guān)，再貴、再精密的鏡子也會(huì)有模糊的情況。我們用視寧度來(lái)評(píng)價(jià)這種模糊度。所謂視寧度，其科學(xué)上的定義是描述天文觀測(cè)的目標(biāo)受大氣湍流的影響而看起來(lái)變得模糊和閃爍的程度的物理量。它通常用角度來(lái)表示，角度越小說(shuō)明視寧度越好，我們就能理所當(dāng)然的看到更澄澈的星空。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，探究視寧度屬于大氣科學(xué)研究的范疇，天文研究者們通常只管測(cè)數(shù)值，而很少去建立氣象模型來(lái)專門分析它。

了解一些分辨率概念的同學(xué)應(yīng)該知道，望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，它的分辨率就越高，就愈能將遠(yuǎn)處兩個(gè)相鄰的物體分辨開來(lái)，我們看到的畫面就更加清晰。

望遠(yuǎn)鏡的分辨率公式，λ指代光的波長(zhǎng)，可見光一般是300-800 nm之間，D是望遠(yuǎn)鏡的直徑，θ就是望遠(yuǎn)鏡所能看到的最小分辨角了

如此一番算下來(lái)，那些大型望遠(yuǎn)鏡理論上可以達(dá)到毫角秒的分辨率（1度=3600角秒），但是由于大氣的作用，理論分辨率總是達(dá)不到的。目前世界上最好的望遠(yuǎn)鏡集中在夏威夷和智利北部?jī)?yōu)良的臺(tái)址上，那里的視寧度一般為0.6-0.8 角秒，可惜離窮盡望遠(yuǎn)鏡本身的性能還是差的很遠(yuǎn)。

面對(duì)這樣的難題我們通常有兩條路，一條是走哈勃望遠(yuǎn)鏡那樣的太空路。可惜太空路又復(fù)雜又燒錢，萬(wàn)一儀器出了事故維修起來(lái)很麻煩，要不詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡怎么現(xiàn)在還不上天呢。另一條路則是立足于地面，走自適應(yīng)光學(xué)這條路，來(lái)嘗試補(bǔ)償大氣抖動(dòng)帶來(lái)的誤差。不過這套從90年代應(yīng)用到天文上的技術(shù)畢竟只能做到補(bǔ)償，不可能完全消去誤差，所以繼續(xù)開展探索地球上最佳觀測(cè)點(diǎn)的任務(wù)也在情理之中了。

事實(shí)上，視寧度的概念離我們并不遙遠(yuǎn)，普通天文愛好者們也常和它打交道。只要隨便下載一個(gè)晴天鐘這樣的app，里面就會(huì)出現(xiàn)視寧度這一欄信息。圓圈越小，說(shuō)明視寧度數(shù)值越小，觀測(cè)效果越好。

軟件顯示的國(guó)家天文臺(tái)密云站有關(guān)信息

背后的考察工作

南極這一與世隔絕的地方?jīng)]什么人類活動(dòng)的痕跡，整體海拔高，光害小，只要能解決嚴(yán)寒情況下的設(shè)備運(yùn)行問題，自然是一個(gè)建造天文觀測(cè)臺(tái)址的好地方。并且在高緯度條件下，利用特有的極夜場(chǎng)景，可以讓我們連續(xù)24小時(shí)追蹤某些我們感興趣的天區(qū)。

這一回對(duì)冰穹A 的探測(cè)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)地方視寧度最低可以達(dá)到0.13 角秒，長(zhǎng)期測(cè)量測(cè)到的平均視寧度也為0.31 角秒，比我們以往的選址地實(shí)在好太多。在冰穹 A最優(yōu)結(jié)果出來(lái)之前，一直是冰穹 C視寧度數(shù)據(jù)處于相對(duì)領(lǐng)先的地位，平均數(shù)值在0.23-0.26 角秒左右。

其實(shí)很久之前學(xué)術(shù)界就猜測(cè)冰穹 A應(yīng)當(dāng)是地球上的最佳觀測(cè)地點(diǎn)了。從2005年開始，我國(guó)科考隊(duì)就踏足這一區(qū)域，完成了對(duì)冰穹 A 的考察，并為在此建站做了準(zhǔn)備工作。2009年，我們?cè)诖私⒘宋覀兊牡谌齻€(gè)南極科考站-昆侖站，同時(shí)，它還是國(guó)內(nèi)首個(gè)南極內(nèi)陸科考站，位居整個(gè)南極之巔。往后的科考隊(duì)開始陸續(xù)在此建立觀測(cè)設(shè)備。

這次關(guān)于冰穹A的觀測(cè)結(jié)果，還得依賴于2019年第35次科考所做的工作。商朝暉研究員負(fù)責(zé)天文這部分的事務(wù)，并部署了新的昆侖望遠(yuǎn)鏡（全名為昆侖差分圖像運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器，英文簡(jiǎn)稱為 KL-DIMM）。昆侖望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù)還是來(lái)測(cè)視寧度，可以讓我們定量評(píng)估這一位于冰穹A 的昆侖站天文臺(tái)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。這是因?yàn)檫@里的大氣邊界層厚度低，大約只有13.9 m，只要在這個(gè)高度之上，就可以避免地面的湍流，從而得到極其優(yōu)異的視寧度。同時(shí)，塔架的架設(shè)也是極為巧妙，能夠在8 m/s 的風(fēng)速下，讓頂部平臺(tái)的晃動(dòng)小于3 mm，要觀測(cè)的星星就會(huì)被牢牢地限定在我們的視野里，不會(huì)再“閃沒”了。

一對(duì)昆侖望遠(yuǎn)鏡和塔架 （圖片來(lái)源：商朝暉）

和我們搭積木一樣，摞得越高越容易倒。我們的塔架想要在14 m的高度下保持穩(wěn)定會(huì)比較難，但要和隔壁冰穹C 比起來(lái)，就容易多了。冰穹C 處邊界層的厚度大約為30 m，要想在此處達(dá)到和我們類似的觀測(cè)效果，需要搭一個(gè)三十多米的高穩(wěn)定塔架，這項(xiàng)工作實(shí)在又費(fèi)腦子又費(fèi)錢。

此前我們一直認(rèn)為冰穹A 觀星好，但是具體好在哪里還缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐。通過這一次積累的視寧度數(shù)據(jù)，結(jié)合附近一起工作的多個(gè)氣象觀測(cè)設(shè)備，讓我們有足夠的理由相信冰穹 A是最好的，我們離在此建設(shè)望遠(yuǎn)鏡也不遠(yuǎn)了。

隨行布置的 多層自動(dòng)氣象站KLAWS-2G(左) 和兩臺(tái) 云量極光監(jiān)測(cè)儀KLCAM（右箭頭所指） （圖片來(lái)源：商朝暉）

一點(diǎn)點(diǎn)展望

在南極搭鏡子確實(shí)比在太空方便很多，不過即便是后期維護(hù)方便，如此低溫的情形下讓人長(zhǎng)期駐守也不現(xiàn)實(shí)。所以在南極尤其是冰穹A上建設(shè)新的望遠(yuǎn)鏡時(shí)，一定要保證良好的穩(wěn)定性，使其可以適應(yīng)超低溫工作，讓我們?cè)诩抑芯湍懿倏亟K端進(jìn)行觀測(cè)。

事實(shí)上，我們現(xiàn)在就是這么干的。昆侖望遠(yuǎn)鏡的工作壓根不需要有人在現(xiàn)場(chǎng)值守，它被設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到了在零下80度的條件下工作。至于供電方面我們也不需擔(dān)心，南極嚴(yán)寒日照能量低，用太陽(yáng)能面板又貴又麻煩，能量還不一定能滿足需要，所以我們干脆就在望遠(yuǎn)鏡旁放上一個(gè)充滿蓄電池的集裝箱，又方便又穩(wěn)定。一個(gè)箱子包用一年，反正每年都會(huì)有科考任務(wù)，到時(shí)候直接來(lái)這換電池就好了，也不會(huì)費(fèi)太多時(shí)間。

昆侖站天文工作場(chǎng)地 （圖片來(lái)源：國(guó)家天文臺(tái)）

要是專門派人員在這里看著，物資補(bǔ)給是個(gè)問題，整日與冰雪為伴也確實(shí)無(wú)聊了點(diǎn)。畢竟，沒有誰(shuí)愿意一年四季都挨凍，難道全程自動(dòng)化它不香嗎？

其實(shí)，冰穹A這個(gè)地方以后不僅適合可見光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，極其干燥的氣候環(huán)境伴隨著干凈的電磁環(huán)境，也尤為適合射電望遠(yuǎn)鏡的工作。在太赫茲波段的環(huán)境測(cè)量可以讓這里的射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到更多的電磁波段......

總之，這是一塊寶地，以后是少不了為我們國(guó)內(nèi)的天文事業(yè)添磚加瓦的。

參考資料：

[1] Ma, B., Shang, Z., Hu, Y. et al. Night-time measurements of astronomical seeing at Dome A in Antarctica. Nature 583, 771–774 (2020).

[2] DOME A – COLDEST PLACE ON EARTH http://suo.im/5DBxbx

[3]我國(guó)天文學(xué)家證實(shí)南極冰穹A為地面最佳光學(xué)天文觀測(cè)臺(tái)址—國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)- http://suo.im/5DBxaJ

[4] Astronomical seeing—Wikipedia http://suo.im/5w5jIu

[5] Scambos, T. A.; Campbell, G. G.; Pope, A.; Haran, T.; Muto, A.; Lazzara, M.; Reijmer, C. H.; Van Den Broeke, M. R. (2018)

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