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特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

中国青海北部,阿尔金山南麓的戈壁滩上,因湖得名的冷湖镇坐落于此。这一无人区在上世纪六七十年代因石油而兴,最终因资源枯竭而重归寂静。近年来的冷湖,则在以一种新的方式慢慢“回温”——天文观测。特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

《青藏高原上的冷湖天文台址》(Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site)

北京时间8月18日23时,顶级学术期刊《自然》(Nature)在线发表了来自中国团队的一项研究,题为《青藏高原上的冷湖天文台址》(“Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site”)。研究团队在青藏高原寻觅到一个新的潜在天文观测点——冷湖天文观测基地。该台址坐落于冷湖镇附近赛什腾山区域的一处峰顶,海拔4200多米,可以和夏威夷莫纳克亚(Mauna Kea)这样举世公认的最佳天文台址比肩。特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

冷湖台址地理位置。

综合来看,这是一个世界级的天文观测台址。”论文通讯作者之一、同时也是第一作者的邓李才在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时笃定地表示。该研究由中科院国家天文台、中国学院大学、西华师范大学、中国科学院地质与地球物理研究所、中科院紫金山天文台青海观测站等团队的研究人员联合完成。

邓李才1993年在意大利国际高等研究院获理学博士学位,1994年在意大利帕多瓦天文台、1995年至1997年在国家天文台(原北京天文台)进行博士后训练,1997年入选中科院百人计划,1998年起任北京天文台研究员。1999年至今,邓李才任国家天文台创新团组首席研究员。曾任国家重大科学工程项目LAMOST银河系结构巡天科学工作组组长,负责组织LAMOST银河系恒星巡天的科学计划工作特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

作者群像。中间是一幅全天相机图像,图右上侧可以看到2020年最亮的彗星NEOwISE/F3。研究团队供图

这项研究的数据覆盖2018年至2020年的整整3年时间。2020年12月20日晚,首台到达冷湖赛什腾观测基地的科学级望远镜50Bin成功实现科学观测,得到的第一幅图像测量显示,星象的半高全宽是0.68角秒,与选址设备DIMM给出的视宁度测量值高度一致。邓李才称之为“赛什腾的第一缕光”。

截至目前,从已经建成和正在建设的规模来看,邓李才认为冷湖无疑已经是“中国最大的天文台。”更为重要的是,有着“第三极”之称的青藏高原上是整个国际天文学界的向往之地,“在这里发现好的天文观测台址,是一个共同的愿望,而我们实现了这样的愿望。”

“目前,能达到下一代望远镜建造和运行要求的优良天文观测台址都在西半球,冷湖补上了东半球的缺失,这样就可以形成一个24小时的监测网络,这是对全世界天文学界的贡献。”邓李才表示特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

星空流转:这是2019年7月27日夜(一般情况),全天监控相机图像制作的动画。研究团队供图

下一代大型地基望远镜何处安家

中国地面光学天文装置与国际的差距甚大。

上世纪90年代开始,国际上架起了十几座8-10米口径望远镜,这些具备成像观测能力的通用型望远镜构成了目前全球领域内的“豪华阵容”。不仅如此,三架30米级的望远镜也正在研制中,其中的GMT(巨型麦哲伦望远镜)已经部分完成投入工作

相比之下,中国光学望远镜目前最大口径为位于国家天文台兴隆基地的2.16米口径望远镜和云南丽江的2.4米口径望远镜。而口径更大的郭守敬望远镜(LAMOST)是一台4-6米级的光谱巡天望远镜,它具备“普查”功能,但不具备成像观测能力

2016年底,《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》(下称“《规划》”)正式公布,大型光学红外望远镜被列入优先启动的10个项目。《规划》明确提出,“优选台址,建设一架12米级口径光学红外望远镜,具备多目标、暗天体高分辨成像和光谱观测的精测能力。”

12米级口径光学红外望远镜设施的建成,被认为将有助于使我国光学极限探测能力处于国际领先行列,大幅提升天文观测重大发现的综合能力,同时为相关领域的前沿研究提供重要支撑,带动我国先进光学技术的创新发展

下一代大型地基望远镜落在哪里?这是一个更需先行解决的问题,这项工作也被称为台址选择。“专业的天文观测台址,实际上每一个都是经过严格选址的。”邓李才提到,无论是紫金山天文台,抑或是兴隆观测站、云南天文台,这些早期落成的天文台都是经过筛选评审决定的。“这些台址在当时看来都是满足需求的。”

然而,随着经济条件、工程技术等限制因素的突破,天文学家们开始将下一代天文望远镜的台址聚焦于更理想之地。“我们真正按国际标准去寻找台址,实际上是从2000年左右开始。”

好的天文台应该是怎样的?邓李才首先给出了一个大致的地域特色,“最好的天文台现在都是在荒漠或者裸露的岩石上建成。”夏威夷的莫纳克亚、智利的阿塔卡马,这些顶级的天文台无一例外。“我们国内现有的天文台都在绿树成荫的地方,这实际上非常不利于天文观测。”

2000年以后,中国的天文学家将眼光投向西部,在胡焕庸线以西以北的无人区,寻觅具有“国际范”的台址。西藏阿里、新疆帕米尔高原的慕士塔格、川藏滇交界处的稻城,均在此后陆续成为候选台址的热门之地。

“2000年之后的这些工作,一开始仅仅是作为一种战略储备,我们知道未来可能会发展设备,先去找一找,但是并没有一个具体的设备来驱动。”邓李才提到,中国的天文学界真正为大型望远镜寻找台址,始于2016年,“也就是为12米级口径光学红外望远镜选址。”

启动较晚的冷湖不在当时的12米级选址之列,但它有另一番属于自己的故事。

从德令哈一直往西,渺无人烟处

邓李才从2009年开始深入青海,其团队在中科院紫金山天文台青海观测站工作青海观测站于1982年开始建设,位于青藏高原、青海省第三大城市德令哈,这里海拔3200米,东经97°33'.6,北纬37°22'.4。青海站也被称为德令哈天文观测基地。

“第一次去的时候,我到了西宁,找我一个大学同班同学,他在青海工作,他跟我说,你放望远镜为什么不放到冷湖?”在当地人的印象中,冷湖日光充足,晚上星空特别好。

什么是冷湖?“从德令哈一直往西开,开几个小时见不到人烟了,那个地方就是冷湖。”这是邓李才第一次听说的冷湖。

实际上,冷湖进入过中国天文学家的选址之列,随后却又被剔除。冷湖地区存在大面积的风蚀地貌,且比邻塔克拉玛干沙漠,“这个地方虽然日照好,夜空晴朗,但是它有风沙,不适合建设天文台。”这是前人下过的结论。

针对冷湖的风沙问题,邓李才等人做了些功课,他更相信数据。“从科学角度来看,风沙是随高度呈指数衰减的一种物理现象,我的判断是,只要有山,风沙问题就应该不存在。”

邓李才等人后来还专门为此购置了基于直接计数单位体积颗粒数原理的粉尘仪,对选定的台址观测点的颗粒物和气溶胶进行了长期监测。结果显示,至少柴达木地区内肆虐的风沙对4000米以上的地区没有影响,冷湖候选台址点的PM10指数通常只有个位数。直观感受也支撑他们的判断,在盆地沙尘暴之时,从C点可以清楚地看到沙尘顶部与蓝天的明显分界线。

“一定要到实地去看,通过数据给出答案,不能仅仅通过一些资料,这是不够严谨的。”特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

赛什腾山建设工地沐浴在日落的余晖中,水平线之下是略带浮尘的柴达木盆地,一望无际。研究团队供图

真正抵达冷湖的契机发生在2017年。“我在德令哈有一个项目,当时我去的时候条件还不错,等我把望远镜架起来,开始工作以后发现德令哈变得太亮,我的工作进行不下去了,当时就在想可能要搬到一个新的地方去。”后来站在冷湖观测台址的山顶,邓李才在夜空下曾说道,“对我们天文学家来说,篝火都是一种光污染。”

与此同时,地方政府也有着转型发展计划,海西州希望打造冷湖天文科技和文创旅游产业基地。在德令哈大幅亮化之后,时任冷湖行政委员会副主任田才让(现任柴达木循环经济试验区冷湖工业园党委常务副书记、管委会常务副主任)给邓李才带去了一份红头文件,海西州启动将冷湖全域1.78万平方公里全部设成暗夜保护区的计划

“这给了我很大的信心,不光是我,这对以后建天文台都是非常重要的一个标准。实际上,现在国际上所有的天文台,都受到来自于地面的光污染影响,任何一个天文台都有这个问题,而冷湖能够在我们启动之前就解决这个问题。”

论文中也写道,光污染主要是人类活动的结果,青海省位于青藏高原,人口较少,目前不存在人工光源问题。但是,这并不意味着未来就不会发生工业发展。如果当地人口随着经济的发展而增长,那么光污染也会不可控。

“科学研究和工业之间的这种潜在冲突需要一个解决方案。”邓李才认为,这一暗夜保护计划也是此次发表论文的亮点之一,因此会受到全球更广泛的关注。

抵达冷湖,爬山是生死考验

2017年10月,邓李才等人第一次来到冷湖,镇东部的赛什腾山最终成为他们的首选目标。邓李才此前在一篇撰文中曾写道:这是天文学家以选址为目的第一次来到冷湖。

2018年2月16日,海西州政府州长主持会议,启动冷湖天文选址项目。海西州提供全部选址经费,并委托邓李才项目组执行。

心仪之地就在眼前,而困难才刚刚开始。“实际上,我们在2017年10月抵达当天就遇到了困难。”邓李才回忆道,一行人当天抵达山脚下时正好入夜,“星空特别好,我还拍了星空,出来时天黑看不清楚路,当地的司机知道方向,开到路边上,离那条路只有50米,但我们花了两个小时才上路,原因是那里有个光缆的大沟,汽车就在里头转,甚至发生陷车。”

值得一提的是,为便于选址项目的实施,海西州政府还决定由州财政支持,从山下修一条砂石路至选址点。然而,在花岗岩实体的山修路并非易事,“我们当时以为大概半年能修上去,最后我们发现半年下来只修了2公里,总共是15公里。”

交通不便的影响短时间内无法消除。最初,研究团队在山脚下建了临时基地,观测云量、天光背景和气象参数。然而,像视宁度这样的参数,则必须要到建设望远镜的目标点去获得

所谓的视宁度,是表征大气湍流造成望远镜成像抖动的模糊程度,是光学红外天文观测台址最重要的参数之一。视宁度数值越小,说明大气湍流越弱,成像的角分辨率越高,望远镜对暗弱天体的探测能力就越强。当我们仰望星空,星星闪烁,就是这样的大气湍流造成。特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

第一次实地踏勘赛什腾山顶峰,比后来建设的C点高300多米。研究团队供图

2018年5月,海西州政府租赁的警用直升机来到冷湖,研究团队经过沟通后得以搭乘直升机实地考察山顶。首批抵达山顶的是邓李才、田才让及另一位道路设计公司负责人。

而登山还发生了一段小插曲。当被问及第一次到达山顶时的感受,邓李才出乎意料用“悲催”二字来形容。“第一天上去的时候,我是第一个从飞机上跳下去的,脚尖踩在那里,山上还有雪,我还留了一张照片,说这是人类在这座山上留下的第一个脚印。但悲催的是,第一次实际上上错了,第二天我才真正到达我们后来的选址点。”

研究团队当时并没有好的技术方法确定山上的具体位点,完全凭感觉,而搭乘直升机飞到山顶和平时看卫星地图是“两回事,区别很大”。第二天的上山则更为谨慎,直升机飞到山体上方后大概在空中盘旋了近40分钟,最终确定了正确的位点,也就是海拔4200左右的一个点。特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

直升飞机运送选址的选址需要的基建物料,2018年7月。研究团队供图

随后,这辆直升机还帮助研究团队往山顶吊运了二十几吨基建材料和相关设备,其中包括测量视宁度所需的一座10米高塔的建设材料。由于直升机运输能力有限,吊运工作持续了近一周,“最忙碌的一天从山脚往山顶飞了80趟。”特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

登山途中与帮忙运送物资的藏族兄弟相遇,左一为邓李才。研究团队供图

直升机的助力告一段落。“真正要上去搭建设备,我们就只能爬山。”邓李才将之视为团队遇到的最大困难,也是真正的生死考验。攀登没有路,团队靠着自己的标记前进,山体险陡,而且人还是在高海拔状态下爬山,“我们团队每个人都是爬了几十次。”

研究团队在海拔4200米处的监测始于2018年9月,1个月后,视宁度监测也开始运转。特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

2018年7月19日,选址点基建尚未完成。邓李才(右)和杨帆(左)把视宁度监测系统架设在选址点的地面进行了第一次试验,结果是0.79角秒,非常令人振奋。研究团队供图

这里是冷湖,国际水平的天文台址

三年的数据积累后,冷湖给出了怎样的答案?“我们认为,综合来看这个台址是世界级的。”

邓李才表示,冷湖台址的一些参数比国际上最好的天文台差一点,比如说晴夜的数量,“因为我们一个大陆的站点,其他的都在海岸线上或者是海岛,它们有天然优势。”但同时有些参数要更好一些,“比如说像水汽,青藏高原非常高,所以它水汽普遍比较低,这就适合于作为大型望远镜的台址。”特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

冷湖台址和世界其他知名天文台址参数比较。

从论文细节来看,为了评估冷湖的可观测时间,研究团队使用一个自行二次开发的带鱼眼镜头佳能相机作为的全天监测系统(LH-Cam)。自2018年3月开始,无论天气状况如何,白天每20分钟拍摄一次全天图像,黄昏至黎明期间每5分钟拍摄一次。数据显示,2018年到2020年期间,平均每年有超过90个完全晴朗的夜晚,完全晴朗连续超过4小时的有240个夜晚,超过2小时的有280个夜晚。

总的来说,冷湖台址的优质晴夜时间占比为70%,略低于Mauna Kea(76%)、Cerro Paranal(71%)、La Palma(84%)这三个站点。

差分图像运动测量仪DIMM视宁度统计数据方面,研究总共收集了近50万个数据点,最终有效测量数据为383825个。剔除热点和天气影响后,研究团队监测点视宁度的中位值是0.75角秒(1度=60角分=3600角秒),大约75%的数据低于1角秒。

论文中提到,对于尖端天体物理问题中非常微弱或高红移目标的极端观测要求,需要高空间分辨率和长时间曝光。良好的自然视宁度是自适应光学系统工作关键要求,特别是对于大口径望远镜。值得骄傲的是,冷湖与世界上其他已知最佳观测点的总视宁度对比仍有着优势。

相较而言,冷湖的视宁度中位值与Mauna Kea相同,均为0.75角秒,而比Cerro Paranal(0.80角秒)和La Palma(0.76角秒)的视宁度中位值则要更好。

研究团队认为,从总视宁度来看,冷湖可以与最成熟的观测点相媲美,显然也是青藏高原上目前监测的最好观测点。“全球中纬度区这些最佳的观测点,再加上冷湖,就形成了一个可能的最佳条件网络,仅次于南极洲冰穹上的站址候选地。”特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记邓李才等人认为,视宁度和晴夜质量俱佳,则是考虑未来潜在观测点时的一个关键参数。为了定量评价冷湖观测点的质量,他们根据每晚连续可用观测时间(cAOT)的长度和DIMM视宁度的中位数定义了观测点质量矩阵。

这也被邓李才形容为是专门发明了一个天文台的打分系统。在这套打分系统下,冷湖台址得分为65%,和得分均为66%的Cerro Paranal(1999-2012)、La Silla(2000-2008)的相当,其中使用的数据均为公开可获得。“基于这个原因,正如论文中提到,我们敢判断说冷湖台址是一个国际水平的台址。”

在其他数据方面显示,冷湖台址夜间可沉降水汽柱密度在2毫米以下的时间占比(55%)优于Mauna Kea(54%),远优于智利和其它地区的大型光学天文台。

论文中提到,目前设计的所有大型天文观测设施都是针对尖端科学目标,如极早期宇宙的物理学和寻找系外行星的生命迹象。为了实现这些目标,地面观测通常是通过红外波长自适应光学仪器进行。而可沉淀的水汽是实现这些科学目标的一个决定性因素。

温度方面,实际测量显示,夜间台址点气温起伏(峰谷差)中位值仅为2.4度,这意味着地面层的大气非常稳定。该区域的风以西北方向为主导,风速的中位值为4.5米/秒。特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

建设中的赛什腾C点的观测设施。

世界级的天文台址将带来什么效应?邓李才回应道,“我们只是完成一个选址任务,但我们没法决定将来的事情。”但他相信,一个优良的台址,自然会吸引到各地的天文学家。据其介绍,冷湖台址在监测数据积累两年之际,即形成了总体判断,同时受到外界关注。

公开信息显示,今年5月11日,中国科学技术大学——紫金山天文台2.5米大视场巡天望远镜项目青海海西冷湖天文观测基地开工建设,该望远镜建成后将成为北半球时域巡天观测口径最大、能力最强的望远镜,总投资为2亿元

随后的5月27日,青海省政府与清华大学签署“宽视场巡天望远镜(MUST)”项目合作协议,共同在冷湖镇赛什腾山建设“宽视场巡天望远镜”项目,建设一架口径6.5米的宽视场(光谱)巡天望远镜,并将该项目建成世界顶级天文大科学装置。根据协议,MUST项目总投资额约13亿元,建设周期7年。

而最早开始工作的是西华师范大学与国家天文台合作的50厘米双筒望远镜(50BiN)。邓李才此前在一篇撰文中写道:2020年12月19日,赛什腾山的天文基地实现了“初光”!彼时正逢一个优质的观测夜,第一幅科学图像上恒星的半高全宽为0.68角秒,同时的DIMM值为0.60角秒。经多次观测证实,50BiN的天文观测图像与DIMM视宁度完全吻合。

“所以从已经建成和正在建设的规模来看,冷湖已经是中国最大的天文台。”邓李才表示,“冷湖或者更好的这种天文台址,将会承载中国天文学科未来的发展。”特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

由2020年春分和秋分的全天相机夜间监控照片合成的24小时星轨图。研究团队供图

值得一提的是,除了成为国内新崛起的最大天文台址,冷湖也有着其全球价值。“一些极致的物理环境会发生一些跟基本自然规律相关的物理现象,这种现象稍纵即逝,现在能对这些现象取得成果的优良的天文台全部分布在西半球,东半球整个区域都没有。”邓李才提到,这也就意味着,有一天如果发生这么一件事情,但是它发生在西半球的白天,那么天文学家就错过了这个取得重大原创性科学成果的机会。

“冷湖在东半球上补上了这个点,我们就形成了一个24小时可以监测的网络,所以这也是对全世界天文学界的一个贡献。”特稿|为何是青海冷湖?东半球唯一一个世界级天文台址诞生记

2020年4月13日,全天相机监控照片的投影转换,完整的银河拱门与赛什腾主峰相互映衬。研究团队供图。

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