在射电天文快速发展的同时,我国地基光学天文的发展却落后于世界水平,重要原因之一是我们缺乏合适的天文台址。而昨天在《自然》杂志上发表的一篇论文告诉我们,整个欧亚大陆上最优秀的天文台址,就在青海冷湖的赛什腾山。
邓李才在回想起2017年在德令哈市的观测时感叹道,紫金山天文台青海观测站位于青海德令哈市,其建立目的是保证其13.7米射电望远镜的射电观测。但在光学波段,这个台址对天光背景的保护并不到位。
伴随着德令哈市的快速发展,等到2017年邓李才开展观测时,观测站在德令哈市方向的天光背景已经增加了1000倍,直接影响了观测质量,对他负责的项目而言,形成了极大的困难。而中国光学天文的发展对新台址的需求也迫在眉睫。
近年来我国射电天文快速发展,FAST更是成为了世界上最大的球面射电望远镜,取得了不俗的成果。但是对天文学而言,射电只是电磁波谱长端的一小部分,而天文上更多的成果是由光学波段,或其附近的红外、紫外波段实现的。将红外和紫外天文也纳入光学天文的范畴的话,满天繁星中每一颗的辐射都集中在光学天文的范畴内。但我们的地基光学天文是非常滞后的。
对光学望远镜而言,口径是一个非常重要的参数。而我国的光学最大的通用光学望远镜口径仅有2.4米,仅有郭守敬望远镜(LAMOST)口径达到了4~6米级,但LAMOST是光谱巡天望远镜,难以进行成像观测。1948年时,美国的海尔望远镜的口径就已经达到了5米,我们今天的光学望远镜已经滞后了太多。
大型光学望远镜很难建,但对我们而言,阻碍最大的并非是望远镜建造本身,而是不知道能将望远镜放到哪里。
最佳的天文台址一定是寸草不生的,因为干燥无雨、大气稀薄等望远镜所需要的环境特征,明显与植物的生存条件相悖;另一方面,植物蒸腾效应带来的水汽又会影响天文观测质量。另一个不确定性在于,即使一个台址在选址时的条件非常令人满意,但随着经济的发展,人造光源的污染都会对其造成不可忽视的影响。在德令哈,情况就是如此。
在机缘巧合下,邓李才的团队受到青海省海西州冷湖地区政府的邀请,前往青海冷湖镇寻找天文台址,这是天文学家首次以选址的目的来到冷湖。地基天文观测受到大气厚度影响,海拔越高,大气越薄,受到的影响就越小。自然,世界屋脊青藏高原在这方面有着无可比拟的优势,但冷湖之前并没有落入天文台址的候选范围,因为它比邻塔克拉玛干沙漠,加上本地的风蚀地貌,前人担心风沙会对望远镜的运行造成影响。
不过,物理规律告诉我们,沙尘浓度应该随着高度而呈指数衰减,只要有相对隆起、足够陡、足够高的山地,沙尘对台址就应该不是问题。2017年10月,选址团队委托当地政府选出了几个冷湖镇附近的山峰,他们确认镇东部的赛什腾山满足条件。邓李才下车,抬头仰望星空:我们可能找对地方了。
在选址团队到来之前,赛什腾山还是一座处女峰——未被人攀登过。在2019年7月山路贯通之前,选址团队想上山顶,通常只能靠双腿攀登。后来为了进一步考察,他们使用了海西州政府的直升机在山顶搭建观测平台,设置科学仪器。仅凭肉眼的直觉是远远无法作为选址依据的,他们在山顶架设的一批科学仪器可以检测气象、晴夜占比、天文大气总视宁度、天光背景,以及人们此前最担心的风沙等数据。
自2018年3月以来,这些仪器几乎一刻不停地收集各项数据。最终,选址团队将这些数据整理成论文,发表在最新一期《自然》杂志上。70%的优质晴夜占比,0.75的角秒的视宁度中位值,夜晚温度变化范围中位数也仅有2.4℃,还有更多数据。综合分析证明,这个天文台址是世界顶级的。
地球上最好的天文台址位于南极冰穹,特殊的地理位置决定了那里具有亚空间级别的观测条件,但随之而来的观测成本也是亚空间级的。望远镜不断发展,除了口径在不断增加,在镜面后分析星光的仪器也愈发庞大,因此在空间和南极建设下一代大型望远镜是不现实的。青海冷湖几乎是整个东半球最优质的天文台址,或者说,是整个欧亚大陆上最优秀的天文台址。
在东半球建设顶级望远镜具有重要意义,如果天文学家需要观测那些转瞬即逝的目标,那么望远镜就必须尽量均匀地分布在全球各地。否则,在重要天体物理事件发生时,西半球可能处于白天,当前的顶级台址根本无从观测。赛什腾山4200米到4500米之间的海拔的确比较危险,但好在冷湖大部分地区海拔在3000米以下,只是赛什腾山拔地而起,在短距离内提升了一千多米。
这样剧烈的高度变化一方面挡住了山下的风沙,另一方面给人员保障带来了极大的便利。
天文学家都热衷于大众科普,但他们的事业却不喜欢人们都聚集到天文台周围,因为随之而来的人造光源会让天文台的观测条件迅速恶化。冷湖镇在上世纪六七十年代时,曾因石油开采一度增长到10万人口,但随着石油资源逐渐枯竭,冷湖再度回到几乎无人状态。无人区自然不必担心人造光源,而且地方政府曾在2017年7月给选址团队带来一纸红头文件,承诺对冷湖全域进行暗夜保护。
天文台会强力助推冷湖基于星空和地貌的旅游资源,地方政府由此增加的收入反过来又能促进天文台的发展。冷湖这一优秀台址的发现,振奋了国内天文学家的精神。西华师范大学与国家天文台合作的50厘米双筒望远镜已经在赛什腾山天文基地展开了观测。还有众多天文望远镜正在建设当中,其中就包括清华大学的6.5米天文望远镜。
邓李才表示,将来LAMOST望远镜有可能会搬迁到赛什腾山。正如邓李才所说,未来已来,冷湖不冷!请记住青海冷湖,赛什腾山,这里拥有整个欧亚大陆上最澄澈的星空。未来,人类探索星空的历史上,一定会有属于冷湖的一页。