下一代地基光學紅外望遠鏡最大的特點就是口徑大，觀測的天體(ti) 也會(hui) 更暗。這就要求天文台台址在保證可觀測夜數足夠的前提下，天空背景要更暗，大氣湍流要更小，視寧度要更低，才能有效發揮望遠鏡性能。

　　青海省西北角的冷湖鎮，正在成為(wei) 全球天文界關(guan) 注的焦點。這裏的賽什騰山，最高海拔4576米，距離敦煌約250千米。

　　自2018年初至2020年底，近3年間，這塊幹旱少雨、日照強烈的地區吸引了一批批科學家，他們(men) 不時仰望星空，試圖從(cong) 雲(yun) 量、夜空背景亮度、氣溫、壓力、濕度、風速和方向、灰塵、可降水量等數據中抽絲(si) 剝繭，目的隻有一個(ge) ，為(wei) 未來的望遠鏡尋找一處適合安放的新家。

　　最終的結果足以令科學家們(men) 欣慰。

　　近日，中國科學院國家天文台、中國科學院大學、西華師範大學、中國科學院地質與(yu) 地球物理研究所、中國科學院紫金山天文台青海觀測站等團隊的研究人員在《自然》雜誌發表論文稱，他們(men) 發現賽什騰山C區4200米海拔標高點的光學觀測條件，在光學紅外天文觀測性能方麵可以比肩國際一流光學紅外天文台台址。其中，能夠影響地基望遠鏡成像質量的視寧度指標的中值為(wei) 0.75角秒，這個(ge) 參數與(yu) 國際最佳台址數據大致相同。

　　目前已知的世界上最好的天文台台址包括以美國夏威夷莫納克亞(ya) 山為(wei) 代表的海島高山型，以智利塞羅·帕拉納地區為(wei) 代表的海岸邊高聳山脈型和以南極為(wei) 代表的極地型。內(nei) 陸是否存在能與(yu) 之比肩的優(you) 秀台址，賽什騰山C區的發現給出了答案。選台址可能是天文領域中最艱苦的工作之一。在每一處台址背後，都有一串大數據的支撐，除了需要考察地形、地質、運行支撐外，還需考慮諸多天文觀測的相關(guan) 影響因素，包括晴夜數、視寧度、氣象條件等指標。

　　避開光汙染 天文台台址不斷遠離城市

　　“古老的天文台，例如英國格林尼治天文台、伽利略工作過的意大利帕多瓦天文台，都建在城市裏或近郊。在它們(men) 建設的時代，望遠鏡口徑很小，觀測也主要以目視為(wei) 主，而且那時城市幾乎沒有光汙染。”上述論文第一作者、中國科學院國家天文台研究員鄧李才介紹，天文學發展到近代，逐漸開始重視天文台的選址，天文台台址也在不斷遠離城市。

　　鄧李才說，地基天文觀測都是透過地球大氣進行觀測，大氣中的物質會(hui) 吸收來自天體(ti) 的信號，所以台址上空的大氣越薄，被吸收的信號就越少。因此需要在海拔盡可能高的地方選址。

　　此外，選址還需要遠離人造光源，因為(wei) 大氣中各種因素產(chan) 生的散射會(hui) 嚴(yan) 重影響天文觀測。

　　人類活動不僅(jin) 製造了更多的光汙染，也讓尖端的地基光學紅外望遠鏡直麵更多挑戰。中國科學院國家天文台副研究員馮(feng) 麓告訴科技日報記者：“現代的光學紅外望遠鏡在靈敏度和波長覆蓋範圍方麵，要比以前強得多。望遠鏡的聚光能力越來越強，也就意味著它們(men) 不僅(jin) 能捕捉星光，也會(hui) 將城市燈光一起收集進來。而未來觀測的天體(ti) 目標越來越遠，這就意味著在地麵觀測的時候它們(men) 本身就會(hui) 很暗。所以用於(yu) 夜間觀測的天文台的選址就要避免城市的光汙染，選擇更偏僻的地方。”

　　建國初期，我國用來在夜間觀測的天文台隻有位於(yu) 南京市的中國科學院紫金山天文台。上世紀90年代，天文學家在我國西部開展了一係列台址探查和監測工作。雲(yun) 南天文台的高美古觀測站、新疆天文台的南山觀測站、青海的德令哈觀測站就誕生於(yu) 這一時期。這些台站的海拔高度普遍在2000—3000米，相對於(yu) 海拔僅(jin) 有900米的河北興(xing) 隆觀測站，它們(men) 能避開1000—2000米的大氣湍流，視寧度也就更好，更有助於(yu) 望遠鏡成像。

　　為(wei) 了應對未來更大口徑望遠鏡建設的需求，我國在2003年前後集中力量對青藏高原和帕米爾高原開展了選址工作。西藏的烏(wu) 瑪、噶爾，新疆的卡拉蘇等海拔在3000—4000米的台址都是在這期間湧現出來的。

　　海選、踏勘、精測 天文望遠鏡“落戶”不簡單

　　夜空中，我們(men) 目力所及的繁星，90%以上都是銀河係內(nei) 的恒星，這是因為(wei) 這些恒星離我們(men) 較近。

　　由於(yu) 地球自轉軸和銀盤存在一個(ge) 夾角，所以在實際觀測星空的時候，南半球所對應的南天可以看到更多銀河係內(nei) 的天體(ti) ；而在北半球對應的北天，銀河係遮擋較少，借助望遠鏡可以看到銀河係外和銀盤外的天體(ti) 。

　　對於(yu) 天文學家而言，無論是銀河係內(nei) 還是係外的天體(ti) 都有重要的研究價(jia) 值。馮(feng) 麓說：“對於(yu) 大口徑望遠鏡的建設而言，地理位置的考量更多的是出於(yu) 天文台自身的傾(qing) 向性，比如美國的天文台偏向於(yu) 在本國領土內(nei) 建設望遠鏡，而歐洲南方天文台從(cong) 建台之初就是要在南半球設立自己的觀測基地等。”

　　鄧李才說，想要尋找係外行星上的生命跡象，捕捉電磁引力波爆發和太空偶發的瞬時天體(ti) 物理事件，望遠鏡就必須盡量均勻地分布在全球各地，才能在有限的時間窗口中精確觀測、驗證這些天文現象。而冷湖鎮在東(dong) 半球獨特的地理位置，恰好填補了莫納克亞(ya) 山、阿塔卡馬沙漠和加那利群島三地天文台之間在地理上的巨大鴻溝。

　　當然，讓天文望遠鏡“落戶”，不可能一蹴而就。鄧李才介紹，就冷湖鎮地區的天文台選址來說，科學家首先從(cong) 多年來地麵氣象台網和衛星雲(yun) 量的數據中，選擇了一個(ge) 大致的適宜區域；然後實地踏勘，查看地形地貌、地質條件等，例如是否有起伏明顯的高山，地質條件是否利於(yu) 修路；再調閱當地3個(ge) 氣象站近30年的氣候記錄，查看這裏的年平均降水量和年日照時間；確定大致可行之後，還要再進行長期的定點測量。

　　要“看到”還要“看好” 選址需考慮這些科學指標

　　光學天文台的選址需要考慮諸多科學指標，比如晴夜數、天光背景亮度、視寧度以及涉及氣象條件的風力、顆粒物、水汽等。

　　視寧度指的是大氣抖動對望遠鏡觀測星象造成的模糊程度，選址地區的視寧度越低越好。視寧度的監測往往采用差分圖像運動監測儀(yi) 。這種設備根據所收集到星斑的運動統計結果，結合大氣湍流的物理統計模型，就可以反演出台址上空大氣的視寧度。

　　決(jue) 定地基光學紅外望遠鏡能否觀測到天體(ti) 的最重要因素還包括雲(yun) 量遮擋。馮(feng) 麓介紹，傳(chuan) 統天文觀測有兩(liang) 種，一種是測量天體(ti) 的亮度，一種是測量天體(ti) 的光譜。對於(yu) 前者而言，因為(wei) 測量的是來自目標天體(ti) 光子的絕對數量，所以一旦在觀測目標和望遠鏡之間出現雲(yun) ，到達望遠鏡的光子就會(hui) 減少，雲(yun) 層太厚的時候也有可能完全接收不到光子。而光譜觀測則不需要測量到達光子的絕對數量，隻要有來自天體(ti) 的光能被接收，而且強度足夠看到各條譜線的相對位置，觀測就是成功的。但如果觀測的天體(ti) 比較暗，光譜觀測可能也會(hui) 受一點影響。

　　所以，天文學家在考察台址的雲(yun) 量時，一般會(hui) 把長時間（比如3到6個(ge) 小時）在天頂方向很大角度範圍裏不存在任何雲(yun) 的情況稱為(wei) 晴夜或者測光夜。而在長時間較小範圍內(nei) 無雲(yun) 或者少雲(yun) 的情況被稱為(wei) 光譜夜。

　　馮(feng) 麓認為(wei) ：“一個(ge) 台址是否優(you) 良，首先要看的就是它的晴夜和光譜夜占全年的百分比。如果有雲(yun) ，還要看雲(yun) 的分布和有雲(yun) 時間的長短。”

　　此外，水汽是阻止紅外光穿透大氣的主要因素。評價(jia) 大氣水汽含量的指標是大氣可沉降水汽含量。它表征了從(cong) 地麵到天頂大氣中水汽的總量，海拔越高水汽含量越低，周圍植被越少的台址通常可沉降水汽含量也較低。水汽的指標測量較為(wei) 複雜，往往需要在紅外和射電多波段同時進行探測，根據探測結果，結合模型反演出可沉降水汽含量的絕對值。

　　“不過，考慮一地是否適合作為(wei) 台址，還要綜合考慮各個(ge) 參數之間的關(guan) 係，在能‘看到’天體(ti) 的基礎上‘看好’才行。”馮(feng) 麓說。

　　為(wei) 了讓天文望遠鏡盡可能不受環境的影響，近年來科學家也在嚐試將自適應光學係統應用於(yu) 天文望遠鏡中。

　　馮(feng) 麓介紹，自適應光學係統可以根據大氣湍流的特征，在望遠鏡光路中對接收到的天體(ti) 畸變波前進行校正，盡可能降低大氣湍流對成像的影響。同時，為(wei) 了實時探測大氣湍流，科學家會(hui) 使用高性能的鈉激光，激發位於(yu) 90—110千米高空中的鈉原子，使鈉原子產(chan) 生共振熒光。共振熒光中，後向發射的光子返回地麵的過程中，會(hui) 將大氣湍流照亮，科學家就可以據此判斷大氣湍流的變化強度，繼而進行校正。但這種技術會(hui) 受到鈉層在豐(feng) 度和高度上地域和季節性變化的影響，同時還會(hui) 受到高空風速、地球磁場矢量等與(yu) 台址相關(guan) 因素的製約。

　　“但無論如何，下一代地基光學紅外望遠鏡最大的特點就是口徑大，觀測的天體(ti) 也會(hui) 更暗。這就要求天文台台址在保證可觀測夜數足夠的前提下，天空背景要更暗，大氣湍流要更小，視寧度要更低，才能有效發揮望遠鏡性能。”馮(feng) 麓說。