天文台应该建在什么地方？如何确定优良的天文观测台址？今天，我们请这篇《自然》论文的作者之一、中国科学院国家天文台的邓李才研究员来讲述“天文台选址”的故事。
8月18日，《自然》发表了一篇论文，报道了我国科学家在青海冷湖地区发现国际一流光学天文台址，论证了青藏高原可能是建造下一代大型望远镜的合适选址。要知道，地球上能达到下一代望远镜建造和运行要求的优良天文观测点为数不多，此前选定的所有台站都位于西半球。
撰文 | 邓李才（中国科学院国家天文台）
故事要从南京说起。三十多年前，我来到了南京的紫金山天文台求学。南京是中国天文学的摇篮，也是中国天文学教育和研究的中心。东郊的紫金山自古城墙东北角隆起，一直向东延伸，形成了龙盘之势。在这里，有中国的第一个现代天文台——紫金山天文台。
我非常有幸在这里开启了我的职业生涯，更为有幸的是利用当时紫金山天文台的当家重器（60厘米反射式望远镜）和当时国内其他天文台的几台“现代”望远镜（云南天文台凤凰山1米、兴隆观测基地1.2米红外望远镜）完成了硕士论文。
要找地方建天文台，究竟有多难？昼夜翻转和四季轮回可能是人类最早感知的自然现象。即使是在远古时期，我们的祖先凭一双肉眼就开始了对满天繁星的探索和想象。400多年前，望远镜的发明真正超越了人眼，可以想象，当伽利略第一次看到木星的样子和围绕木星的四颗大卫星时应该多么激动。这应该是人类历史上正式记录的第一次透过望远镜的天文观测！
自那以后，天文观测都是从地面透过地球大气向太空瞭望的模式，直至人类把望远镜送到大气层之外。因为自然的原因，我们现在理解的光学波段的天文观测，一直主导了学科的发展。原因特别简单：人类赖以生存的大气正好屏蔽了对地球生命有害的紫外光和大部分比光学波段更长的红外光，大气在波长更长的电磁辐射中又变得透明，使得我们可以与人造卫星通讯。
而宇宙中可以被看到的天体（恒星或由恒星组成的更大尺度的天体）发出的能量大部分就在光学波段。
要讲述天文台址选址的故事，一个首先要回答的问题是：在当今太空技术相当发达的时代，为什么还要在地面建设观测设备？答案也很直接：由于技术的限制，我们不可能把超大型的设备送入太空，而大型设备和与之匹配的仪器在现代和未来天文学、物理学领域中探索极致问题时是不可或缺的。
第二个问题是，为什么对大型望远镜设施的台址那么挑剔？对这个问题的回答需要一点背景知识。地基天文观测都是透过地球大气进行观测，地球大气中的物质成分对来自天体的信号会产生吸收，台址上空的大气越薄吸收就越少，因此我们需要去海拔尽可能高的地方选址。选址还需要远离人造光源，因为大气中各种因素产生的散射会严重影响天文观测。当然，同时还要是夜空晴朗，否则我们根本看不见星空。
除此之外，地球的大气是不稳定的，沿望远镜视线方向的无规律大气湍流会扭曲来自天体的光线，这就是所谓的视宁度。对于现代和未来的大型设备而言，视宁度非常重要。
经典的天文台，比如闻名世界的英国格林尼治天文台、伽利略工作过的意大利帕多瓦天文台，都建在城市里或近郊。这些古老天文台定址都是由科学之外的因素主导，在他们建设的时代望远镜口径很小，观测也主要以目视为主，而且那时城市几乎没有光污染。现在看来，这些天文台都成了历史遗迹和地标文物。
近代的天文台逐渐开始重视选址。但凡专业的天文台，其建设过程的第一步就是严格选址。天文台选址是一系列因素的综合考量，除了台址本身的参数外，还包括天文望远镜的科学目标、资金预算、技术和运维支撑等等。
随着城市现代化程度的提升和人口的增长，特别是望远镜口径的扩大、探测设备灵敏度的提高和对科学目标的重视，城市灯光对天文观测的影响变得不可接受。
紫金山天文台、云南天文台、兴隆观测基地等都因为城市的亮化受到了不同程度的影响。为图发展，我国的天文台都在选择新的地址建设观测设备。比如云南天文台在青藏高原东沿的横断山选址，从1992年到1998年，历时6年监测、评估之后，终于在丽江高美古建成了目前中国最大口径的通用型望远镜（2.4米）。
现代天文台，走向无人区。
时间来到2016年，我国光学天文的发展迎来了一个重大机遇：12米光学红外望远镜（LOT）成为“十三五”时期优先布局的10个重大科技基础设施建设项目之一。国家有了资助天文学科发展国际水平设施的实力，天文家们倍感振奋之余，却发现似乎并没有准备充分，其中的关键问题之一就是放置这台望远镜的台址。
我们的选择当然不可能是当时已建设成熟的现有台址，因为即便是当前观测条件最好的高美古，也无法充分发挥这台望远镜的科学能力。
实际上，我国天文界未雨绸缪，针对将来可能的大口径望远镜的选址工作早在2000年就已经展开，目标就是青藏高原！最初的选址工作异常困难，这可能是所有现代天文台选址必须面对的。我们先来看看世界上最好的天文台都是什么情况。
南极的冰盖之上，具有世界上最稳定、最透明的大气，这是逼近亚空间的观测条件。当然，选址以及后期的建设和运行成本也是直逼空间设施，这是不利因素。除此之外，世界上顶尖质量的台址非常有限，比如夏威夷大岛上的Mauna Kea天文台和智利北部阿塔卡玛沙漠地区的天文台，还有相对次一等的西班牙加那利群岛上的天文台。
所以，我国现代天文台选址的基本方向，就是走向高原、走向不适合人类生存的地域。而青海省海西州就存在这样一个地域。我们项目组介入冷湖地区的选址任务纯粹是出于偶然，但结果却有深远的意义。2009年国家天文台加入了国际恒星观测网络（SONG）并建设一个节点。由于经费的限制和项目对台址相对较低的科学要求，我们选址了具有良好支撑条件的紫金山天文台青海观测站（位于德令哈市）。
是天文学家，也是“登山高手”。冷湖地区的天文选址很幸运，所有的因素都同时得到了最优的选择！但这并不是说，这件事情就轻松平常。在道路到达山顶之前，选址的设备和运行条件虽然到位，但在非常严酷的环境条件下，电子和机械设备难免问题重重。低温使得线缆硬化接口虚接，极端干燥常引起静电导致的器件保护甚至烧毁。因为山顶没有基本的人员安全保障条件，但凡出现问题，项目人员就得快速响应奔赴冷湖，爬山到选址点。
冷湖的观测条件到底如何？天文台选址进入定点阶段，就是依据既往的参数统计规律去判断未来的天文观测条件。也就是说，是基于数据的统计分析来得出结论。因此，数据的完整性（覆盖所有的参数）和连续性就至关重要。这是国际通用的标准。为了得到可靠的判据，我们在选址任务书中承诺，数据的时间覆盖率必须超过95%。
结语。冷湖地区天文观测台址的发现打破了长期制约我国光学天文观测发展的瓶颈，不仅为我国光学天文发展创造了重大机遇，特别是冷湖所在的地理经度区域内，尚属世界大型光学望远镜的空白区，而天文观测常常需要时域、空域的接力观测，因此，也是国际光学天文发展的宝贵资源。