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作者：乘涼（中國科學院大學）

文章來源于科學大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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被困在城市中的我們，希望仰天尋找繁星來獲得慰藉的時候，看到的多半是高聳入云的大廈。偶爾有未被遮擋的天區(qū)也往往泛著五顏六色的光，嚴重的光污染籠罩著整片夜空。時機好一些可以看見月亮，而大部分時候則是一顆星星都看不到。

這樣的地方肯定不是觀星的好去處，普通的天文愛好者們都會對這樣的地點避而遠之。若想要建設新的天文臺，人口密集區(qū)幾乎會被直接pass掉（除非特別有錢）。除了避開城市的光污染，要考慮的因素還有很多。我們不光要對空氣透明度、大氣湍流、空氣密度的穩(wěn)定性進行評估，還要考慮該地區(qū)每年晴朗的天氣如何，如果從事射電觀測，還要兼顧到周邊無線電信號的干擾程度。

綜合以上考慮，天文臺的建址都是選在遠離城市的偏遠地區(qū)，或在不知廬山真面目的高山里，或在只能靠望梅止渴續(xù)命的沙漠中，也可能在地白風色寒的極地處。

位于智利阿塔卡瑪沙漠（世界“干極”）的歐南天文臺（圖片來源：國家地理）

那么，地球上有沒有最好的觀測地點呢？如果有，那又在哪里呢？

冰穹A-最澄澈的星空！

近日，國際科學期刊《自然》雜志發(fā)布了中國科學院國家天文臺商朝暉研究員團隊的一項研究，已知證據表明，地球上的最佳天文觀測點就是位于南極大陸上的冰穹A。

冰穹 A在南極大陸的位置 （圖片來源：wikipedia.org）

南極按地理可被分為東南極和西南極，冰穹A的地理位置接近東南極的中心。冰穹A之于南極相當于珠峰之于地球，它是南極洲上最高的冰蓋。之所以說它是冰蓋而不是山，是因為它并不像山那樣直插云霄，看起來與平地無異。它的海拔為4,093 米，但是由于南極大陸整體是個高海拔地區(qū)，其相對高度也只有1,639 米。

“企鵝”登陸冰穹 A -源自中國第35次南極科考任務 （圖片來源 ：新華社）

對我們普通民眾來說，想要親自來看一看這里的星空確實是一件不太現實的事情。因為光是南極就離我們足夠遙遠的了，更何況冰穹 A還深入南極內陸1,200多公里，相當于從北京駕車前往上海的距離。同時，高海拔稀薄的大氣也會讓你退卻，稍有不慎就會缺氧。還要留心的是，這里的嚴寒簡直讓人毛骨悚然。夏日溫度為-40攝氏度左右，每年的冬天，冰穹A的溫度時常會低于-80攝氏 度，甚至還曾有過低達 -98 攝氏度的極端溫度（目前學術界對此低溫尚存爭議）。除了一些人工建設的實驗室，這里幾乎就是地球上最冷的地方。人類最寒冷的城鎮(zhèn)是位于俄羅斯西伯利亞東北部的奧伊米亞康，最低溫度是-71攝氏度，還不及冰穹A 冬季的平均溫度。

人類生存最冷的城鎮(zhèn)-奧伊米亞康 （圖片來源：每日頭條）

所以距離、海拔、溫度這三大因素（或許還有第四大因素：億點點錢）讓冰穹A 良好的觀測環(huán)境只能為少數人見證。令人自豪的是，這一絕妙的地點首先是被我們中國人造訪的。15年前，也就是2005年，我國南極科考隊的成員從中山站跨越了1,228公里到達了冰穹 A。

那么，這里的星空澄澈在哪里呢？

這就要考慮一個重要的可度量指標——視寧度！

為什么大炮射不中星星？

關于視寧度我先賣個關子，大家來看個腦筋急轉彎——為什么大炮射不中星星？先別說什么炮彈出膛的速度達不到第二宇宙速度所以射不中星星云云，那樣玩腦筋急轉彎只會被氣死……答案相信大家都不陌生了，是因為星星會“閃”。

不過，星星可不止會“閃”而已。地球是有大氣的，由內而外逐漸稀薄。遙遠的星光想要被我們捕捉到就得穿過這些密度不一的空氣介質。折射定律告訴我們，光線通過的時候還會發(fā)生偏折。要命的是，大氣不是像鋼板一樣，溫度不均的空氣會帶來各種湍流，并且大的湍流里還有小湍流，把空氣攪拌得像糨糊，這團糨糊還是時時刻刻變化的。如果我們將未被大氣“污染”的星空比作4 K 120幀的視頻，那么我們在普通條件下看到的就是480 p 30幀的糟心畫面。

這樣一來，星星不光會“閃”，還會“糊”，反映在我們望遠鏡中看到的結果類似下面這樣子。

這是一張長時間曝光某顆星星得到的照片，反映了在一段時間內星星在望遠鏡的視野里的位置有變化。我們平時用業(yè)余望遠鏡也可以看到出現在目鏡中的星星有些晃動，那多半是你的支架不穩(wěn)，提醒你該加錢升級三腳架了（圖片來源：維基百科詞條-視寧度）

同一望遠鏡在不同的視寧度下看木星的對比圖，可見右邊較差的條件下只能依稀看到條紋，大紅斑幾乎不可見 （圖片來源：britastro.org）

是的，與望遠鏡價格無關，再貴、再精密的鏡子也會有模糊的情況。我們用視寧度來評價這種模糊度。所謂視寧度，其科學上的定義是描述天文觀測的目標受大氣湍流的影響而看起來變得模糊和閃爍的程度的物理量。它通常用角度來表示，角度越小說明視寧度越好，我們就能理所當然的看到更澄澈的星空。嚴格來說，探究視寧度屬于大氣科學研究的范疇，天文研究者們通常只管測數值，而很少去建立氣象模型來專門分析它。

了解一些分辨率概念的同學應該知道，望遠鏡的口徑越大，它的分辨率就越高，就愈能將遠處兩個相鄰的物體分辨開來，我們看到的畫面就更加清晰。

望遠鏡的分辨率公式，λ指代光的波長，可見光一般是300-800 nm之間，D是望遠鏡的直徑，θ就是望遠鏡所能看到的最小分辨角了

如此一番算下來，那些大型望遠鏡理論上可以達到毫角秒的分辨率（1度=3600角秒），但是由于大氣的作用，理論分辨率總是達不到的。目前世界上最好的望遠鏡集中在夏威夷和智利北部優(yōu)良的臺址上，那里的視寧度一般為0.6-0.8 角秒，可惜離窮盡望遠鏡本身的性能還是差的很遠。

面對這樣的難題我們通常有兩條路，一條是走哈勃望遠鏡那樣的太空路。可惜太空路又復雜又燒錢，萬一儀器出了事故維修起來很麻煩，要不詹姆斯韋伯望遠鏡怎么現在還不上天呢。另一條路則是立足于地面，走自適應光學這條路，來嘗試補償大氣抖動帶來的誤差。不過這套從90年代應用到天文上的技術畢竟只能做到補償，不可能完全消去誤差，所以繼續(xù)開展探索地球上最佳觀測點的任務也在情理之中了。

事實上，視寧度的概念離我們并不遙遠，普通天文愛好者們也常和它打交道。只要隨便下載一個晴天鐘這樣的app，里面就會出現視寧度這一欄信息。圓圈越小，說明視寧度數值越小，觀測效果越好。

軟件顯示的國家天文臺密云站有關信息

背后的考察工作

南極這一與世隔絕的地方沒什么人類活動的痕跡，整體海拔高，光害小，只要能解決嚴寒情況下的設備運行問題，自然是一個建造天文觀測臺址的好地方。并且在高緯度條件下，利用特有的極夜場景，可以讓我們連續(xù)24小時追蹤某些我們感興趣的天區(qū)。

這一回對冰穹A 的探測發(fā)現，這個地方視寧度最低可以達到0.13 角秒，長期測量測到的平均視寧度也為0.31 角秒，比我們以往的選址地實在好太多。在冰穹 A最優(yōu)結果出來之前，一直是冰穹 C視寧度數據處于相對領先的地位，平均數值在0.23-0.26 角秒左右。

其實很久之前學術界就猜測冰穹 A應當是地球上的最佳觀測地點了。從2005年開始，我國科考隊就踏足這一區(qū)域，完成了對冰穹 A 的考察，并為在此建站做了準備工作。2009年，我們在此建立了我們的第三個南極科考站-昆侖站，同時，它還是國內首個南極內陸科考站，位居整個南極之巔。往后的科考隊開始陸續(xù)在此建立觀測設備。

這次關于冰穹A的觀測結果，還得依賴于2019年第35次科考所做的工作。商朝暉研究員負責天文這部分的事務，并部署了新的昆侖望遠鏡（全名為昆侖差分圖像運動監(jiān)視器，英文簡稱為 KL-DIMM）。昆侖望遠鏡的主要任務還是來測視寧度，可以讓我們定量評估這一位于冰穹A 的昆侖站天文臺址特性。

有趣的是，它并不是被直接固定在地面上，而是被放置在了8 m的高塔架上。這是因為這里的大氣邊界層厚度低，大約只有13.9 m，只要在這個高度之上，就可以避免地面的湍流，從而得到極其優(yōu)異的視寧度。同時，塔架的架設也是極為巧妙，能夠在8 m/s 的風速下，讓頂部平臺的晃動小于3 mm，要觀測的星星就會被牢牢地限定在我們的視野里，不會再“閃沒”了。

一對昆侖望遠鏡和塔架 （圖片來源：商朝暉）

和我們搭積木一樣，摞得越高越容易倒。我們的塔架想要在14 m的高度下保持穩(wěn)定會比較難，但要和隔壁冰穹C 比起來，就容易多了。冰穹C 處邊界層的厚度大約為30 m，要想在此處達到和我們類似的觀測效果，需要搭一個三十多米的高穩(wěn)定塔架，這項工作實在又費腦子又費錢。

此前我們一直認為冰穹A 觀星好，但是具體好在哪里還缺乏足夠的數據支撐。通過這一次積累的視寧度數據，結合附近一起工作的多個氣象觀測設備，讓我們有足夠的理由相信冰穹 A是最好的，我們離在此建設望遠鏡也不遠了。

隨行布置的 多層自動氣象站KLAWS-2G(左) 和兩臺 云量極光監(jiān)測儀KLCAM（右箭頭所指） （圖片來源：商朝暉）

一點點展望

在南極搭鏡子確實比在太空方便很多，不過即便是后期維護方便，如此低溫的情形下讓人長期駐守也不現實。所以在南極尤其是冰穹A上建設新的望遠鏡時，一定要保證良好的穩(wěn)定性，使其可以適應超低溫工作，讓我們在家中就能操控終端進行觀測。

事實上，我們現在就是這么干的。昆侖望遠鏡的工作壓根不需要有人在現場值守，它被設計的時候就考慮到了在零下80度的條件下工作。至于供電方面我們也不需擔心，南極嚴寒日照能量低，用太陽能面板又貴又麻煩，能量還不一定能滿足需要，所以我們干脆就在望遠鏡旁放上一個充滿蓄電池的集裝箱，又方便又穩(wěn)定。一個箱子包用一年，反正每年都會有科考任務，到時候直接來這換電池就好了，也不會費太多時間。

昆侖站天文工作場地 （圖片來源：國家天文臺）

要是專門派人員在這里看著，物資補給是個問題，整日與冰雪為伴也確實無聊了點。畢竟，沒有誰愿意一年四季都挨凍，難道全程自動化它不香嗎？

其實，冰穹A這個地方以后不僅適合可見光學望遠鏡，極其干燥的氣候環(huán)境伴隨著干凈的電磁環(huán)境，也尤為適合射電望遠鏡的工作。在太赫茲波段的環(huán)境測量可以讓這里的射電望遠鏡觀測到更多的電磁波段......

總之，這是一塊寶地，以后是少不了為我們國內的天文事業(yè)添磚加瓦的。

參考資料：

[1] Ma, B., Shang, Z., Hu, Y. et al. Night-time measurements of astronomical seeing at Dome A in Antarctica. Nature 583, 771–774 (2020).

[2] DOME A – COLDEST PLACE ON EARTH http://suo.im/5DBxbx

[3]我國天文學家證實南極冰穹A為地面最佳光學天文觀測臺址—國家科學基金委員會- http://suo.im/5DBxaJ

[4] Astronomical seeing—Wikipedia http://suo.im/5w5jIu

[5] Scambos, T. A.; Campbell, G. G.; Pope, A.; Haran, T.; Muto, A.; Lazzara, M.; Reijmer, C. H.; Van Den Broeke, M. R. (2018)

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