何處星空最燦爛 ——中國(guó)大型光學(xué)天文臺(tái)定址青藏高原

仰望星空是人類最古老的行為，但真正用望遠(yuǎn)鏡探索星空卻只有400多年的歷史。在這400多年里，人類對(duì)宇宙的了解有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，與此同時(shí)，也克服了不少技術(shù)上的難題，其中一項(xiàng)就是如何為望遠(yuǎn)鏡尋找一片明凈的天空，讓人類探索宇宙的視線暢行無(wú)阻。

高質(zhì)量的天文觀測(cè)并不是隨處都可以進(jìn)行的，它對(duì)大氣的要求十分苛刻，需要空氣極為透明和寧?kù)o。我們都有這樣的體驗(yàn)，天上的星星經(jīng)常會(huì)“眨眼睛”，這是大氣抖動(dòng)造成的，這種抖動(dòng)對(duì)天文觀測(cè)很不利。此外，還有眾多的苛刻要求，例如污染少、晴日多、空氣中水汽和塵埃絕少等等。因此，要獲得一個(gè)高質(zhì)量的天文觀測(cè)點(diǎn)并非輕而易舉，它是天文學(xué)家們夢(mèng)寐以求但又并非輕易就能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。尤其是在人類社會(huì)工業(yè)化高度發(fā)展的今天，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)變得尤為不易。

2021年8月，我國(guó)科學(xué)家宣布了一項(xiàng)重大科學(xué)進(jìn)展，天文學(xué)家們克服重重困難，經(jīng)過(guò)不懈努力，在青海省成功發(fā)現(xiàn)了一處優(yōu)良臺(tái)址——青海冷湖臺(tái)址。冷湖是青藏高原上的一個(gè)湖泊，位于我國(guó)青海省北部阿爾金山南麓的戈壁灘上，因湖得名的冷湖鎮(zhèn)亦坐落于附近?？茖W(xué)家們?cè)诶浜?zhèn)附近找到了這個(gè)非常理想的天文觀測(cè)點(diǎn)，它位于冷湖賽什騰山區(qū)一座海拔4200米的山峰上。尋找優(yōu)良的天文臺(tái)臺(tái)址需要不畏艱難的頑強(qiáng)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

自2018年1月起，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的研究團(tuán)隊(duì)就對(duì)冷湖地區(qū)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)一直持續(xù)了3年。結(jié)果表明，冷湖地區(qū)日照豐沛、降水稀少、夜空晴朗，由于地勢(shì)高，地面風(fēng)沙對(duì)4000 米以上的地區(qū)亦沒(méi)有影響。同時(shí)，歷史記錄的天氣條件也非常理想。因此，科學(xué)家們認(rèn)為，這里的觀測(cè)條件具備世界一流的視寧度和承載我國(guó)未來(lái)重大天文科學(xué)設(shè)施的潛力，堪稱“世界級(jí)的天文觀測(cè)臺(tái)址”，可以與夏威夷莫納克亞這種舉世公認(rèn)的最佳天文臺(tái)臺(tái)址比肩。

青藏高原有著世界“第三極”之稱，是國(guó)際天文學(xué)界的向往之地?，F(xiàn)在，我國(guó)科學(xué)家們終于在這里找到了最優(yōu)良的天文觀測(cè)臺(tái)址，從而實(shí)現(xiàn)了全球天文學(xué)家們的共同愿望。這一成果，打破了長(zhǎng)期制約我國(guó)光學(xué)天文觀測(cè)發(fā)展的瓶頸，為我國(guó)光學(xué)天文學(xué)、行星科學(xué)和深空探測(cè)等學(xué)科的發(fā)展創(chuàng)造了重大機(jī)遇。

優(yōu)良臺(tái)址成就地基天文學(xué)的輝煌

今天，天文學(xué)已經(jīng)進(jìn)入多信使多波段時(shí)域時(shí)代，人們不僅用可見(jiàn)光觀測(cè)宇宙，也用其他多種人眼看不見(jiàn)的光觀測(cè)宇宙，包括射電波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線等。為此，望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)不限于傳統(tǒng)的地面望遠(yuǎn)鏡了。太空望遠(yuǎn)鏡也每時(shí)每刻都在將它們探索宇宙的視線投向深空。

然而，即使在今天，地面望遠(yuǎn)鏡也仍然是天文學(xué)研究的主力軍，這是因?yàn)樘胀h(yuǎn)鏡建造成本高，發(fā)射和操作的技術(shù)難度大，在口徑和觀測(cè)能力上依然受到限制，所以，在可以穿透大氣層的波段上，人們依然主要依賴地基天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙。具體地說(shuō)，可見(jiàn)光、射電波和一部分紅外線能穿透地球大氣抵達(dá)地面，地基望遠(yuǎn)鏡在這些波段上均大有作為。事實(shí)上，正是因?yàn)橛辛舜笮偷孛嫱h(yuǎn)鏡，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)才有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

1917年，人們?cè)谕栠d山天文臺(tái)建造了口徑2.5米的胡克望遠(yuǎn)鏡，這是當(dāng)時(shí)最大的天文望遠(yuǎn)鏡。威爾遜山位于美國(guó)加利福尼亞州帕薩迪納附近，海拔1742米，那里視野開(kāi)闊，大氣穩(wěn)定，非常適合天文觀測(cè)。胡克望遠(yuǎn)鏡建成后不久，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃來(lái)到威爾遜山開(kāi)始用胡克望遠(yuǎn)鏡研究宇宙。當(dāng)時(shí)很多人都認(rèn)為，“仙女座星云”只是一團(tuán)“星云”，它存在于銀河系中，而銀河系也非常特別，它在宇宙中是獨(dú)一無(wú)二的。然而，埃德溫·哈勃借助胡克望遠(yuǎn)鏡看到了“仙女座星云”中的恒星，這說(shuō)明仙女座星云不是一團(tuán)“云”，它是由一顆顆星星組成的，是一個(gè)和銀河系一樣的“星系”。

威爾遜山天文臺(tái)

而且，埃德溫·哈勃還通過(guò)仙女座星云中的“造父變星”未來(lái)中國(guó)天文學(xué)發(fā)展的重要保障判斷出這個(gè)星系遙遠(yuǎn)地存在于銀河系之外。原來(lái)銀河系并不特別，它只是宇宙中一個(gè)普通的星系。埃德溫·哈勃對(duì)星系表現(xiàn)出濃厚的興趣，他利用胡克望遠(yuǎn)鏡研究了很多星系后，發(fā)現(xiàn)幾乎所有星系都呈現(xiàn)出紅移。這說(shuō)明宇宙中的所有星系都正在離我們遠(yuǎn)去，而且，星系遠(yuǎn)去的速度和它們與我們的距離很有關(guān)聯(lián)：越遠(yuǎn)，它們背離我們的速度就越快。于是，埃德溫·哈勃明白了，星系的退行速度是與它們的距離成正比的。

原來(lái)，宇宙正在膨脹之中，它不是靜止的，每時(shí)每刻都在演繹著運(yùn)動(dòng)、變化、誕生和死亡，這一發(fā)現(xiàn)改變了人類對(duì)整個(gè)宇宙的看法。胡克望遠(yuǎn)鏡的卓越表現(xiàn)激勵(lì)了天文學(xué)家們，此后，地基望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展便進(jìn)入了快車道，各種大型地基望遠(yuǎn)鏡層出不窮。它們坐落于觀測(cè)條件理想的地方，例如位于海拔4206米的莫納克亞火山的莫納克亞天文臺(tái)，凱克望遠(yuǎn)鏡、“昴”望遠(yuǎn)鏡和雙子北望遠(yuǎn)鏡等都安裝于此。

智利的歐洲南方天文臺(tái)始建于1962年，那里安裝有令人驚嘆的巨鏡——甚大望遠(yuǎn)鏡。它坐落在海拔2632米的帕瑞納山上，那里氣候干燥，夜空晴朗，非常適合天文觀測(cè)。經(jīng)過(guò)多年的計(jì)劃和建造，大雙筒望遠(yuǎn)鏡終于落戶在美國(guó)亞利桑那州海拔3190米的格雷厄姆山上，那里遠(yuǎn)離大城市的燈光，水汽和塵埃極為稀少，是非常理想的天文觀測(cè)點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代起，人們?cè)谖靼肭蚣芷鹆耸畮鬃?至10米口徑的大型望遠(yuǎn)鏡，這一宏偉舉措大大推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展。

莫納克亞火山的莫納克亞天文臺(tái)

未來(lái)中國(guó)天文學(xué)發(fā)展的重要保障

在這樣的背景下，我國(guó)的地基望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)也在不斷發(fā)展之中。在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡家族中，我國(guó)已擁有2.16米口徑望遠(yuǎn)鏡，位于國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站；2.4米口徑望遠(yuǎn)鏡，位于云南天文臺(tái)麗江觀測(cè)站；而口徑更大的LAMOST是一臺(tái)4～6米級(jí)的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，同樣位于興隆觀測(cè)站。LAMOST 后來(lái)被正式命名為“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”，是世界上最大的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，堪稱能干的“星空巡視員”。它具備星空的“普查”功能，但不具備成像觀測(cè)能力。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡

無(wú)論是紫金山天文臺(tái)、云南天文臺(tái)，抑或是國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站，這些早期落成的天文臺(tái)都適應(yīng)了當(dāng)時(shí)的觀測(cè)需求。然而，隨著時(shí)間的推移，天文學(xué)家們需要將下一代天文望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址確定在更加理想的地方，這就要求天文學(xué)家們真正按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尋找臺(tái)址。

這項(xiàng)工作從2000年左右啟動(dòng)，從那時(shí)起，中國(guó)天文學(xué)家將視線投向了我國(guó)的西部。2016年，《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》正式公布，大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡被列入優(yōu)先啟動(dòng)的10個(gè)項(xiàng)目之列，從而明確了“優(yōu)選臺(tái)址，并建設(shè)一架12米級(jí)口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡”的目標(biāo)。這是一個(gè)沖刺光學(xué)極限探測(cè)能力的宏偉計(jì)劃。假若有了12米級(jí)口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡，我國(guó)天文觀測(cè)的綜合能力就能得到大幅提升，從而有助于躋身國(guó)際領(lǐng)先行列。

同時(shí)，此項(xiàng)目也能為相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究提供重要支撐，帶動(dòng)我國(guó)先進(jìn)光學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展?；谶@個(gè)原因，我國(guó)科學(xué)家開(kāi)始以滿足12米級(jí)口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行天文臺(tái)的選址工作。冷湖位于我國(guó)的腹地，作為未來(lái)的大型天文臺(tái)臺(tái)址，冷湖觀測(cè)基地具有發(fā)展良好交通設(shè)施、建設(shè)可靠后勤保障和科研基地的條件?，F(xiàn)在，隨著專家們的認(rèn)可，一些項(xiàng)目開(kāi)始落戶冷湖觀測(cè)基地。2021年5月，總投資達(dá)2 億元的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)—紫金山天文臺(tái)2.5米大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目落戶冷湖。建成后，這架望遠(yuǎn)鏡將成為北半球時(shí)域巡天觀測(cè)口徑最大、能力最強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡。

與此同時(shí)，青海省政府與清華大學(xué)簽署了總投資約13億元的“寬視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡（MUST）”項(xiàng)目合作協(xié)議。而西華師范大學(xué)與國(guó)家天文臺(tái)合作的50厘米雙筒望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)進(jìn)駐，并已開(kāi)始工作。從已經(jīng)建成和正在建設(shè)的項(xiàng)目來(lái)看，冷湖將成為我國(guó)規(guī)模最大的天文臺(tái)，它也將成為世界天文觀測(cè)的重要資源。尤為重要的是，它為未來(lái)中國(guó)天文學(xué)的大踏步發(fā)展提供了重要保障。

目前，全球地基大型望遠(yuǎn)鏡多集中在西半球，這種分布的不均衡制約了天文學(xué)的發(fā)展。這是因?yàn)樘煳挠^測(cè)常需要時(shí)域、空域的接力觀測(cè)，而東半球缺乏優(yōu)良的大型觀測(cè)臺(tái)就難以很好地完成這種觀測(cè)。如今，冷湖觀測(cè)基地的出現(xiàn)將改變這種窘境。我國(guó)大型光學(xué)天文臺(tái)的建立，不僅將為我國(guó)天文學(xué)的發(fā)展帶來(lái)重大機(jī)遇，同時(shí)也必將為全人類探索宇宙奧秘的偉大事業(yè)作出重要的貢獻(xiàn)。

雪后夕陽(yáng)下的賽什騰，天文臺(tái)籠罩在落日余暉中。（圖片來(lái)源：中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)）