中国青海省北部,阿尔金山南麓的戈壁滩上,因湖而得名的冷湖镇就坐落在这里。 这片无人居住的土地曾在20世纪60年代和1970年代因石油而繁荣,但最终因资源枯竭而归于沉寂。 近年来,寒冷的湖水以一种新的方式慢慢“变暖”——天文观测。

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“青藏高原冷湖天文观测站”

北京时间8月18日23时,顶级学术期刊《自然》在线发表了中国团队的一项研究成果,题为《青藏高原冷湖作为天文观测地点》)。 研究团队在青藏高原发现了新的潜在天文观测点——冷湖天文观测基地。 该天文台位于冷湖镇附近的塞什滕山区的一座山峰上,海拔4200多米。 它可以与世界上最好的天文台地点(如夏威夷莫纳克亚山)相媲美。

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冷湖台的地理位置。

“总的来说,这是一个世界级的天文观测站。” 论文通讯作者之一、第一作者邓力才在接受澎湃新闻采访时坚定地表示()。 该研究由中国科学院国家天文台、中国科学院大学、华西师范大学、中国科学院地质与地球物理研究所、青海天文台的研究人员共同完成。中国科学院紫金山天文台.

邓力才1993年获得意大利国际高等研究院理学博士学位,1994年在意大利帕多瓦天文台、1995年至1997年在国家天文台(原北京天文台)进行博士后培训,1997年在意大利帕多瓦天文台进行博士后培训。入选中国科学院百人计划。 1998年起任北京天文台研究员。 1999年起,邓力才担任国家天文台创新团队首席研究员。 曾担任国家重大科学工程项目LAMOST星系结构巡天科学工作组组长,负责组织LAMOST星系恒星巡天科学计划。

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作者群像。 中间是全天摄像机图像,右上角可见2020年最亮的彗星NEOWISE/F3。照片由研究团队提供

此次研究的数据涵盖了2018年至2020年整整3年的时间。2020年12月20日晚,首架科学级望远镜50Bin抵达冷湖塞什腾观测基地,成功实现科学观测。 第一次图像测量显示恒星半高全宽为0.68角秒,与选址设备一致。 DIMM 给出的视宁度测量结果高度一致。 邓力才称之为“赛什腾的第一缕曙光”。

到目前为止,从已建和在建的规模来看,邓立才认为冷湖无疑是“中国最大的天文台”。 更重要的是,素有“第三极”之称的青藏高原是整个国际天文台的所在地。 “在这里找到一个好的天文观测地点是大家共同的愿望,我们已经实现了这个愿望。”

“目前,能够满足下一代望远镜建设和运行要求的优秀天文观测场地都在西半球。冷湖弥补了东半球的不足,这样可以实现24小时监测网络的形成,这是对全世界天文学界的巨大贡献。” 邓立才说。

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星空:这是2019年7月27日晚上(一般条件)全天监控摄像机图像制作的动画。研究团队供图

下一代大型地面望远镜将在哪里安家?

我国地面光学天文设备与国际水平存在较大差距。

20世纪90年代以来,国际上已架设了十几座8-10米口径的望远镜。 这些具有成像观测能力的通用望远镜构成了当前全球领域的“豪华阵容”。 不仅如此,三座30米级望远镜也在研制中,GMT(巨型麦哲伦望远镜)已部分完成并投入工作。

相比之下,我国光学望远镜目前口径最大的是国家天文台兴隆基地的2.16米口径望远镜和云南丽江的2.4米口径望远镜。 较大口径的郭守敬望远镜(LAMOST)是4-6米光谱巡天望远镜。 它具有“普查”的功能,但不具备成像观察的能力。

2016年底,国家重大科技基础设施建设“十三五”规划(以下简称《规划》)正式公布,大型光学、红外望远镜被列为10个优先项目。 《方案》明确提出,“优化场地,建设12米口径光学红外望远镜,具备多目标、高分辨率成像和暗天体光谱观测的精密测量能力”。

12米口径光学红外望远镜设施的建成,被认为有助于使我国光学极限探测能力跻身国际领先行列,大幅提升天文观测重大发现的综合能力,为尖端科学技术提供重要支撑。相关领域的研究。 我国先进光学技术的创新发展。

下一代大型地面望远镜将落户何处? 这是一个更前期的问题,这项工作也称为选址。 “专业的天文观测台址,其实每个地点都经过严格挑选。” 邓立才提到,无论是紫金山天文台、兴隆天文台,还是云南天文台,这些前期建成的天文台都经过了筛选和审查。 决定了。 “这些网站似乎满足了当时的需求。”

然而,随着经济条件、工程技术等限制因素的突破,天文学家开始关注下一代天文望远镜更理想的地点。 “我们确实是按照国际标准来寻找网站的,实际上是从2000年左右开始的。”

一个好的天文台应该是什么样的? 邓立才首先给出了一个大概的地理特征,“现在最好的天文台都建在沙漠或者裸露的岩石上”。 夏威夷的莫纳克亚山和智利的阿塔卡马,这些顶级天文台无一例外。 “我国现有的天文台都在绿树成荫的地方,这对于天文观测来说其实是非常不利的。”

2000年后,中国天文学家把目光转向西方,在胡焕庸线以西和以北的无人区寻找具有“国际标准”的台站。 西藏的阿里、新疆帕米尔高原的慕士塔格、川藏云南交界处的稻城等,都从此成为候选地点的热门地点。

“2000年以后的工作,一开始只是作为战略储备,我们知道以后可能会研制出设备,所以就先去找,但没有具体的设备来驱动。” 邓立才提到,中国天文学界真正寻找大型望远镜选址是从2016年开始的,“即12米口径光学红外望远镜的选址”。

起步较晚的冷湖当时并未纳入12米选址范围,但它却另有故事。

从德令哈一路西行,一片荒凉之地

邓力才自2009年起一直在青海,他的团队在中科院紫金山天文台青海天文台工作。 青海天文台于1982年开工建设,位于青藏高原、青海省第三大城市德令哈市。 海拔3200米,东经97°33′.6,北纬37°22′.4。 青海站又名德令哈天文观测基地。

“我第一次去西宁,问了一个在青海工作的同学,他告诉我,你为什么不把望远镜放在冷湖呢?” 在当地人的印象中,冷湖阳光充足,晚上的星空特别好。

什么是冷湖? “从德令哈开车向西行驶,开了几个小时,就见不到一个人了,那个地方就是冷湖。” 这是邓立才第一次听说冷湖。

事实上,冷湖曾被列入中国天文学家选定的地点名单中,但随后被排除在外。 冷湖地区有大面积的风蚀地貌,毗邻塔克拉玛干沙漠。 “这个地方虽然阳光好,夜空晴朗,但有风沙,不适合建天文台。” 这是前人得出的结论。

对于冷湖的沙尘暴问题,邓立才等人做了一些功课,他更加相信数据。 “从科学角度来看,风沙是一种随高度呈指数衰减的物理现象。我的判断是,只要有山,就不应该存在风沙问题。”

随后,邓立才等人为此购买了基于直接计数单位体积颗粒物数量原理的粉尘仪,并在选定站点的观测点对颗粒物和气溶胶进行了长期监测。 结果显示,至少柴达木地区肆虐的沙尘暴对4000米以上地区没有影响,冷湖候选站址的PM10指数通常只有个位数。 直觉的经验也支持他们的判断。 盆地沙尘暴期间,从C点可以清晰地看到沙尘顶部与蓝天之间的清晰分界线。

“我们必须到实地去看,通过数据给出答案,而不仅仅是通过一些材料,这样不够严谨。”

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赛什腾山施工现场沐浴着夕阳的余辉,地平线以下是带着点灰尘的柴达木盆地,一望无际。课题组供图

真正到达冷湖的机会是在2017年。“我在德令哈有一个项目,去的时候条件还不错,架好望远镜开始工作后,发现德令哈变得太亮了。我“我无法继续我的工作。当时我在想我们可能要搬到一个新的地方了。” 随后,站在冷湖天文台台址之巅,邓立才在夜空下说道:“对于我们天文学家来说,篝火是一种光污染。”

与此同时,当地政府也有转型发展的规划。 海西州希望打造冷湖天文科技和文化创意旅游产业基地。 德令哈大放异彩后,时任冷湖管委会副主任的田才让(现任柴达木循环经济实验区冷湖工业园党委常务副书记、管委会常务副主任)邓立才带来一份红头文件,海西州启动计划,将冷湖整个1.78万平方公里打造成暗夜保护区。

“这给了我很大的信心。不仅是我,这是未来天文台建设的一个非常重要的标准。事实上,世界上所有的天文台都受到来自地面的光污染的影响。任何天文台都有过这个问题,Cold Lake 在我们开始之前就已经解决了。”

论文还写道,光污染主要是人类活动造成的。 青海省地处青藏高原,人口较少。 目前,不存在人工光源问题。 但这并不意味着未来不会出现产业发展。 如果当地人口随着经济的发展而增长,那么光污染将是无法控制的。

“科学研究和工业之间的潜在冲突需要一个解决方案。” 邓立才认为,这次暗夜保护计划也是此次发表论文的亮点之一,因此会受到全球更广泛的关注。

到达冷湖,登山是一场生死考验

2017年10月,邓力才等人第一次来到冷湖,镇东的赛什腾山终于成为他们的首选。 邓力才之前在文章中写道:这是天文学家第一次来到冷湖进行选址。

2018年2月16日,海西州政府州长主持召开冷湖天文选址项目启动会。 海西州提供了全部选址资金,并委托邓立才项目组实施。

你想要的地方就在眼前,但困难才刚刚开始。 “其实,我们在2017年10月到达的那天就遇到了困难。” 邓立才回忆,一行人是在晚上才到达山下的。 路,当地司机知道方向,把车开到路边,距离那条路只有50米,但我们花了两个小时才上路,原因是光缆有一条大沟,车子在里面翻了,甚至发生了被困车的情况。”

值得一提的是,为了便于选址工程的实施,海西州政府还决定在国家资金支持下修建一条从山脚到选址地点的碎石路。 然而,在花岗岩坚固的山体上修路并不容易。 “我们原以为修路需要半年左右的时间,但最后发现半年只修了2公里,一共15公里。”

交通不便的影响短时间内无法消除。 最初,研究团队在山脚下搭建了一个临时基地,用于观测云量、天光背景和气象参数。 然而,视宁度等参数必须在望远镜建造的目标点获得。

所谓视度是衡量大气湍流造成望远镜成像模糊程度的指标,是光学红外天文观测场所最重要的参数之一。 视宁值越小,大气湍流越弱,成像的角分辨率越高,望远镜探测微弱天体的能力越强。 当我们仰望星空时,星星闪烁,这是由这种大气湍流造成的。

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首次勘察赛什腾山峰顶,比后来修建的C点还要高出300多米。课题组供图

2018年5月,海西州政府租赁的警用直升机来到冷湖。 经过沟通,调研组得以乘坐直升机前往山顶考察。 邓力才、田才让和道路设计公司另一位负责人最先登上了山顶。

登山中还发生了一个小插曲。 当被问到第一次登上山顶的感受时,邓立才竟然用“悲催”这个词来形容。 “第一天上去的时候,我是第一个跳下飞机的,我踩到了脚趾,山上还有雪。我还留了一张照片,说这是这个山上留下的第一个人类。”山。一个脚印。但遗憾的是,第一次实际上是错误的,直到第二天我才真正到达我们后来的选址。”

当时,研究团队并没有很好的技术方法来确定山上的具体位置。 这完全是凭感觉。 乘坐直升机飞到山顶和看卫星地图是“两件不同的事情,而且有很大的区别”。 第二天的攀登更加谨慎。 飞到山顶后,直升机在空中盘旋了近40分钟,终于确定了正确的位置,是海拔4200左右的一个点。

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2018 年 7 月,直升机运送选址所需的基础设施材料。照片由研究团队提供

随后,直升机还帮助科考团队将20余吨基础设施材料及相关设备吊运至山顶,其中包括测量视宁度所需的10米高塔的建筑材料。 由于直升机运输能力有限,吊装工作持续了近一周。 “最繁忙的一天,从山脚到山顶有80个航班。”

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爬山的路上,遇到了帮忙运送物资的藏族兄弟。 左边是邓力才 研究团队供图

直升机救援至此结束。 “如果真想上去打造装备,就只能爬山了。” 邓力才认为这是球队遇到的最大困难,也是一次真正的生死考验。 没办法爬,队伍靠自己的标记前进,山险峻险峻,人们还是在高海拔地区爬山,“我们队伍每个人都爬了几十次”。

研究小组对海拔4200米的监测从2018年9月开始,一个月后,视宁度监测也开始运行。

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2018年7月19日,选址点基础设施建设尚未完成。 邓立才(右)和杨帆(左)在现场搭建地面视度监测系统并进行首次测试。 结果是0.79角秒,非常令人兴奋。研究团队供图

这就是冷湖,世界级的天文台所在地

经过三年的数据积累,冷虎给出了怎样的答案? “我们认为,总的来说,该网站是世界一流的。”

邓立才表示,冷湖天文台的一些参数比世界上最好的天文台略差,比如晴夜数。 “因为我们是大陆站点,其他都在海岸线或者岛屿上,所以有天然的优势。” ”但同时,一些参数也更好。“比如像水蒸气一样,青藏高原的海拔很高,所以它的水蒸气普遍较低,适合作为大型望远镜的场地。”

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冷湖站点与世界其他知名天文台站点的参数对比。

从论文的细节来看,为了评估冷湖的可观测时间,研究团队使用了自主研发的带有鱼眼镜头的佳能相机作为全天监测系统(LH-Cam)。 自 2018 年 3 月以来,无论天气状况如何,白天每 20 分钟拍摄一次全天空图像,黄昏到黎明之间每 5 分钟拍摄一次全天空图像。 数据显示,2018年至2020年,每年平均有超过90个完全晴朗的夜晚,240个完全晴朗条件持续超过4小时的夜晚,280个完全晴朗条件持续超过2小时的夜晚。

总体而言,冷湖站站址优质晴夜比例为70%,略低于莫纳克亚山(76%)、帕拉纳尔山(71%)和拉帕尔马岛(84%)三个站点。

在差分像运动测量仪DIMM视宁的统计数据方面,本次研究共采集了近50万个数据点,最终有效测量数据为383,825个。 排除热点和天气的影响后,研究团队监测点的视宁值中位数为0.75角秒(1度=60角分=3600角秒),约75%的数据低于1角秒。

论文中提到,尖端天体物理问题中对极微弱或高红移目标的极端观测要求需要高空间分辨率和长曝光时间。 良好的自然视宁度是自适应光学器件工作的关键要求,特别是对于大口径望远镜。 值得自豪的是,冷湖和其他已知的世界最佳观测点的总视度仍然具有优势。

相比之下,冷湖的视中值与莫纳克亚山相同,均为 0.75 角秒,高于帕拉纳尔山(0.80 角秒)和拉帕尔马岛(0.76 角秒)。 会更好。

研究团队认为,从总视角来看,冷湖可与最成熟的观测点相媲美,显然是青藏高原目前监测的最佳观测点。 “这些位于世界中纬度地区的最佳观测地点与寒冷的湖泊相结合,形成了一个条件最好的网络,仅次于南极冰穹上的候选地点。”

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邓力才等人认为,视宁度和夜间清晰质量都很好,这是考虑未来潜在观测点时的一个关键参数。 为了定量评估冷湖观测点的质量,他们根据每晚连续可用观测时间(cAOT)的长度和 DIMM 视宁中值定义了观测点质量矩阵。

这也被邓力才描述为天文台评分系统的特殊发明。 在此评分系统下,冷湖遗址得分为65%,相当于帕拉纳尔山(1999-2012年)和拉西拉山(2000-2008年)的得分均为66%。 使用的数据都是公开的。 。 “正因为如此,正如论文中提到的,我们才敢判断冷湖遗址是一个国际水平的遗址。”

其他数据显示,冷湖站点夜间可沉降水汽柱密度低于2毫米的时间比例(55%)优于莫纳克亚山(54%),也远优于大型光学天文台在智利和其他地区。

论文提到,目前设计的所有大型天文观测设施都是针对尖端科学目标,例如极早期宇宙的物理学和寻找系外行星上的生命迹象。 为了实现这些目标,地面观测通常使用红外波长自适应光学仪器进行。 可降水蒸气是实现这些科学目标的决定性因素。

温度方面,实际测量显示,站址夜间平均温度波动(峰谷差)仅为2.4度,这意味着地面大气非常稳定。 该地区主要风向为西北风,平均风速为4.5 m/s。

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Sesteng Point C 的观测设施正在建设中。

世界级的天文台站点将带来什么影响? 邓力才回应称,“我们刚刚完成了选址任务,但未来会发生什么,我们无法决定。” 但他相信,一个好的站点自然会吸引世界各地的天文学家。 据他介绍,冷湖站现场经过两年的监测数据积累,已经形成了整体判断,并引起了外界的关注。

据公开资料显示,今年5月11日,中国科学技术大学-紫金山天文台2.5米大视场巡天望远镜项目在青海海西冷湖天文观测基地开工建设。 口径最大、能力最强的望远镜总投资达2亿元。

随后,5月27日,青海省政府与清华大学签署“大视场巡天望远镜(MUST)”项目合作协议,在冷湖镇赛什腾山共同建设“大视场巡天望远镜”项目。 口径6.5米的宽视场(光谱)巡天望远镜,该项目将建成世界顶级的天文科学设施。 根据协议,澳科大项目总投资约13亿元,建设工期7年。

最先开工的是华西师范大学与国家天文台联合研制的50厘米双筒望远镜(50BiN)。 邓力才此前曾在文章中写道:2020年12月19日,塞什腾山天文基地实现“第一道曙光”! 这是一个观察的好夜晚。 第一张科学图像中恒星的半高全宽为0.68角秒,同时的DIMM值为0.60角秒。 经多次观测证实,50BiN的天文观测图像与DIMM看到的完全一致。

“所以从已建成和在建的规模来看,冷湖已经是中国最大的天文台了。” 邓力才说,“冷湖或者更好的这样的观测台址,将承载中国天文学未来的发展。”

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2020年春分和秋分全天摄像夜间监控照片合成的24小时星轨图。研究团队供图

值得一提的是,冷湖除了成为中国最大的观测站所在地外,还具有全球价值。 “在一些极端的物理环境下,会出现一些与自然基本规律相关的物理现象。这种现象转瞬即逝。现在能够对这些现象取得成果的优秀观测站都分布在西半球,并没有整个区域。”在东半球。” 邓立才提到,这也意味着,如果有一天发生这样的事件,但发生在西半球的白天,那么天文学家就错过了这次取得重大原创科学成果的机会。

“冷湖弥补了东半球的这一点,我们形成了一个可以24小时监测的网络,所以这也是对全世界天文学界的一个贡献。”

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2020年4月13日,全天摄像机监控照片投影转换显示,完整的银河拱门与塞什腾主峰相互辉映。 照片由研究团队提供。

作者 admin