沒(méi)想到!地球上這個(gè)地方“看星星”最清楚

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“坐地日行八萬(wàn)里,巡天遙看一千河?!?/strong>

一直以來(lái),浩瀚的星空都寄托著人類無(wú)限的遐想,隨著天文學(xué)的進(jìn)步,天文觀測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展。

2021年12月25日,哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者,韋布望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射升空,它將接替“前任”的工作,繼續(xù)擔(dān)任“宇宙之眼”的工作。與此同時(shí),我國(guó)的太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃也在緊鑼密鼓的籌備中,預(yù)計(jì)到2024年,中國(guó)也將發(fā)射自己的“哈勃望遠(yuǎn)鏡”——巡天望遠(yuǎn)鏡,進(jìn)一步推動(dòng)深空探測(cè)的發(fā)展。

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韋布望遠(yuǎn)鏡

其實(shí),除了太空望遠(yuǎn)鏡,地面上的天文觀測(cè)場(chǎng)所也是人類了解宇宙的重要途徑,今天就讓我們一起來(lái)看一下,觀測(cè)星空時(shí)需要知道的那些事吧。

人類仰望星空的歷史

在古代,人們進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí),由于沒(méi)有輔助工具,只能通過(guò)肉眼進(jìn)行觀測(cè),因此出現(xiàn)了大量像我國(guó)瑯琊臺(tái)、陶寺,兩河流域的月神臺(tái)這樣,位置好,視野開(kāi)闊的“觀星臺(tái)”。

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中國(guó)古代觀星臺(tái)

1608年,荷蘭眼鏡商人李波爾賽偶然發(fā)現(xiàn)兩塊鏡片疊加能夠看清遠(yuǎn)方,并制作出人類歷史上第一架望遠(yuǎn)鏡。

伽利略受此啟發(fā),于1609年發(fā)明了一種以凸透鏡為物鏡,凹透鏡為目鏡的光學(xué)系統(tǒng),被稱為伽利略式望遠(yuǎn)鏡。伽利略利用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造了大量天文觀測(cè)成果,發(fā)現(xiàn)了月面大量的環(huán)形山,繪制了歷史上第一幅月面草圖;發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星;觀測(cè)到了土星的“光環(huán)”……天文學(xué)從此進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡時(shí)代。

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隨著技術(shù)的發(fā)展,望遠(yuǎn)鏡的各種缺陷在被不斷修正的同時(shí),其本身也在朝著大型化、巨型化的方向發(fā)展。1938年,人們捕捉到來(lái)自銀河中心方向的天體的無(wú)線電波,天文觀測(cè)中又一重要成員,射電望遠(yuǎn)鏡由此誕生。

射電望遠(yuǎn)鏡是用來(lái)觀測(cè)和研究來(lái)自天體射電波的基本設(shè)備,與熟知的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同的是,射電望遠(yuǎn)鏡并沒(méi)有光學(xué)鏡頭,它由天線和接收系統(tǒng)構(gòu)成,天線就好比射電望遠(yuǎn)鏡的眼睛,用來(lái)收集宇宙中微弱的無(wú)線電信號(hào),再經(jīng)過(guò)接受系統(tǒng)將信號(hào)放大,最終從噪音中分離出有用的信號(hào)供科學(xué)家研究。500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,F(xiàn)AST)的建成,更是意味著我國(guó)射電天文學(xué)已經(jīng)走向世界前沿。

“看星星”的地方有講究

就拿上文提到的世界上最大的“天眼”來(lái)說(shuō),F(xiàn)AST建于貴州省平塘縣,之所以選擇這個(gè)地方,也是在全國(guó)范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)層層選拔的。首先建造地內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)、水文情況、長(zhǎng)短軸比例、挖填方率是否合適;圈梁合攏情況、幾何形狀是否達(dá)標(biāo);整體的地質(zhì)災(zāi)害、地震風(fēng)險(xiǎn)、氣象條件、無(wú)線電環(huán)境等都是選址要考慮的范疇。

FAST位于喀斯特地貌區(qū),巖石透水性強(qiáng),有利于地表水向下滲透,利于整體的排水,而且此地人口稀少,周圍高山環(huán)繞,能夠有效屏蔽周圍的無(wú)線電磁波干擾。這些要求也是射電望遠(yuǎn)鏡選址時(shí)需要綜合考慮的方面。

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2021年12月19日拍攝的“中國(guó)天眼”全景

(維護(hù)保養(yǎng)期間攝,無(wú)人機(jī)照片)新華社記者歐東衢 攝

當(dāng)然,不止是射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)于選址的要求如此苛刻,基地光學(xué)天文的選址同樣也非常嚴(yán)格。

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首先需要被納入考慮的是氣象因素,云量的多少直接影響到觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短,而大氣的吸收也會(huì)使星光減弱,除此之外,大氣溫度和密度起伏引起的折射率變化都會(huì)影響圖像質(zhì)量。因此天文觀測(cè)的地點(diǎn)需要干燥少雨,大氣稀薄,最好還能“寸草不生”,避免植物蒸騰作用產(chǎn)生的水汽對(duì)天文觀測(cè)質(zhì)量造成影響。

其次,人造光源帶來(lái)的光污染會(huì)使夜天光增亮,空氣中的煙霧、粉塵會(huì)增加大氣吸收,無(wú)線電發(fā)射臺(tái)發(fā)出的電波還會(huì)對(duì)射電觀測(cè)產(chǎn)生影響,因此,天文觀測(cè)最好能夠避開(kāi)人口密集區(qū)域。

說(shuō)到專業(yè)天文臺(tái)的選址標(biāo)準(zhǔn),還有兩個(gè)概念,是我們必須了解:大氣湍流和視寧度。

大氣湍流是一種大氣不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng),湍流每一點(diǎn)上的流動(dòng)速度、壓強(qiáng)、溫度等物理特性都在不斷地發(fā)生變化。在天文學(xué)中,大氣溫度或大氣密度隨機(jī)起伏會(huì)引發(fā)折射率場(chǎng)湍動(dòng),這些改變都會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)成像系統(tǒng)的觀測(cè)質(zhì)量,因此大氣湍流對(duì)天文學(xué)家而言是一項(xiàng)至關(guān)重要的指標(biāo),也是天文臺(tái)建設(shè)過(guò)程中一項(xiàng)至關(guān)重要的基礎(chǔ)性工作。

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大氣湍流強(qiáng)度概述圖

大氣的湍流活動(dòng)強(qiáng)度會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡顯示圖像的清晰度,而用來(lái)描述天文觀測(cè)目標(biāo)在大氣湍流的影響下看起來(lái)變得模糊和閃爍程度的物理量,就是視寧度。視寧度小的地方,不僅更容易捕捉到高質(zhì)量的天文圖像,還能有效降低天文觀測(cè)成本。

因此,我國(guó)的天文臺(tái)在選址時(shí)需要將氣象,晴夜占比,天文大氣視寧度,天光背景等一系列檢測(cè)指標(biāo)考慮在內(nèi)。例如我國(guó)著名的紫金山天文臺(tái),就選址在南京市玄武區(qū)紫金山上,那里云量相對(duì)較小,溫度低,空氣稀薄、清新,能夠在一定程度上避免環(huán)境因素對(duì)觀測(cè)效果的影響,滿足觀測(cè)需求。而位于青海冷湖,賽什騰山上的冷湖天文觀測(cè)基地,更是被譽(yù)為“擁有整個(gè)歐亞大陸上最澄澈的星空”。

而舉世矚目的黑洞照片誕生,其中也有上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡和新疆南山25米射電望遠(yuǎn)鏡協(xié)同觀測(cè)的功勞。

在地球上最冷的地方看星星

探索的腳步永不停止!2009年,我國(guó)在南極冰穹A地區(qū)選址并建成的天文臺(tái)昆侖站,在選址時(shí)就充分考慮了大氣湍流和視寧度兩項(xiàng)指標(biāo)。而南極冰穹A地區(qū)的大氣湍流主要在近地表的邊界層,而之上的自由大氣非常穩(wěn)定,因此具有良好的視寧度。

2020年發(fā)表于著名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》第583卷上的研究成果表示,昆侖站坐在的南極冰穹A地區(qū),光學(xué)天文觀測(cè)條件優(yōu)于已知的其他任何地面臺(tái)址,為我國(guó)進(jìn)一步開(kāi)展南極天文研究奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

就這樣,中國(guó)的天文學(xué)家們?cè)诘厍蜃詈涞拇箨懮?,發(fā)現(xiàn)了最澄澈的星空,這一成果也必將在人類探索星空的歷史上留下濃墨重彩的一筆。

大家記憶中最明亮的星空是在哪里看到的呢?又有著怎樣的一段故事呢?一起來(lái)評(píng)論區(qū)留言吧~讓胖科和大家一起看看這浩瀚無(wú)垠的宇宙到底有著怎樣的魅力吧!

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創(chuàng)作團(tuán)隊(duì):中國(guó)科學(xué)技術(shù)館新媒體團(tuán)隊(duì)

審核專家:魯暘筱懿 行星物理學(xué)博士

評(píng)論
每天都愛(ài)鍛煉的舞者
少傅級(jí)
都是科學(xué)家們的辛苦研究出來(lái)的
2022-02-16
黃金科普
大學(xué)士級(jí)
每個(gè)人心中都有個(gè)傲游宇宙的夢(mèng)
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林子宸
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浩瀚的星空都寄托著人類無(wú)限的遐想……
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