去南極！在地球上看最清晰的星星

  在地球上仰望浩渺星空，哪里看得最清晰？答案是南極。

生活在大氣“海底”的人們，為了看到盡可能真實的星空，到處尋找大氣清澈、寧靜的觀測點。近日，中國科學家發現，位于南極最高點的冰穹A是世界上最佳觀星點。在那里，2.5米口徑光學望遠鏡的觀測能力可與其他臺址6米口徑望遠鏡相媲美。這將為我國南極天文的發展帶來新機遇。

望遠鏡理想家園

究竟哪里的星星不愛“眨眼睛”

自遠古開始，人類就使用肉眼觀察浩瀚星空。1609年，伽利略首次用望遠鏡對準了夜空，一舉發現了月亮上的環形山、太陽黑子和木星的四顆最大衛星。這極大地拓展了人類的視野，開啟了近代天文學的大門。

其后四百多年，隨著科技進步，光學望遠鏡技術也經歷了多次變革。從口徑來看，伽利略時代的望遠鏡口徑只有4厘米，而目前已建成的最大光學望遠鏡已達10米，正在建設的歐洲南方天文臺極大望遠鏡ELT，口徑達到了39米——而人眼瞳孔在黑暗中也僅能放大到約8毫米。

根據理論計算出的分辨率，一臺1米口徑的望遠鏡，分辨率可達0.1角秒（相當于在10千米外看一枚硬幣），可長期以來卻沒有實際達到過，這是為什么呢？

這是因為大氣層的存在。我們都曾有這樣的經驗：寧靜的水面清澈見底，而湍動的水流卻扭曲了水底的景象。空氣也是如此，大氣中充滿了湍流。

大氣中的湍流會造成不同地方大氣折射率的不斷變化，就像大氣中布滿了小小的偏折鏡。比如，高空中的大氣湍流就會造成星星“眨眼睛”。

這一團團的大氣湍流給望遠鏡的分辨率添加了一個額外限制，望遠鏡最終實際的分辨率只能“屈就”于這兩個數值中較大的那個——當望遠鏡口徑小于大氣湍流的尺寸時，實際分辨率就是望遠鏡分辨率；反之，即使望遠鏡本身分辨率再高，實際分辨率也只能是大氣湍流的分辨率。

由于現在光學望遠鏡的口徑都已達到米級，因此直徑從幾厘米到十幾厘米的大氣湍流總是遠遠小于望遠鏡的口徑，對應的視寧度從1到幾個角秒，極大限制了望遠鏡實際性能的發揮。因此，為了發揮望遠鏡的最大潛力，給它們找個合適的家，就成了天文觀測的首要任務。

大氣湍流對望遠鏡成像分辨率的影響程度叫做“大氣視寧度”，它常被作為天文選址的重要依據之一。

經過數十年艱苦的選址工作，現在世界上最優秀的臺址集中在中低緯度的美國夏威夷、智利北部、西班牙加那利群島等地，這些地方海拔高度從2000多米到4000多米，視寧度在0.6-0.8角秒，夜間晴天比例達到了70%-80%。因此，世界上大部分8-10米級望遠鏡，以及在建的3臺30米級望遠鏡均選址在這些區域。

角逐在南極高原

各國競相尋找視寧度最佳臺址

南極大陸常年被厚厚的冰層覆蓋，南極冰蓋的平均厚度超過2000米，形成了南極內陸高原。

由于其獨特的地理位置，南極高原一直被認為可能蘊含著優異的天文臺址。但由于其惡劣的自然環境和相對薄弱的后勤支撐保障能力，直到上世紀90年代，科學家才開始在南極點——美國的阿蒙森-斯科特科考站，開展天文選址工作。

可測量結果卻令人頗為失望：南極點的視寧度較差，達到了1.8角秒，但大氣湍流主要集中在貼近地面100米以內的邊界層中，邊界層之上的自由大氣視寧度僅0.3角秒左右。

邊界層是大氣層中的最底層，受地面影響很大，集中了絕大部分的大氣湍流。邊界層之上稱為自由大氣，湍流很少。在中低緯度的優良臺址中，自由大氣視寧度約0.4角秒，但邊界層厚度約幾百米，其影響無法避免。

南極高原盛行下降風，即風是從高處向低處吹，而南極點海拔僅2835米，處在南極高原的緩坡中，因此風仍然比較大，產生了較多的大氣湍流。但在南極高原的幾個頂點，風速就會非常小，那么湍流也就很少，預計視寧度會非常好。這些頂點包括了冰穹A（南緯80°22′東經77°21′，海拔4093米），冰穹C（南緯75°06′S東經123°20′，海拔3233米），冰穹F（南緯77°30′S東經37°30′，海拔3810米）。

依托法國-意大利在冰穹C的科考站點，國際團隊開展了大量天文臺址測量工作。

2004年，澳大利亞新南威爾士大學的團隊在英國《自然》雜志發表了冰穹C夜間視寧度的測量結果，在距地面30米高度處，視寧度達到了0.27角秒，即冰穹C的邊界層厚度只有約30米。

此后，法國、意大利團隊使用不同儀器持續進行了多年監測，進一步確認了冰穹C邊界層厚度約30米，自由大氣視寧度約0.3角秒。由于冰穹C是越冬站，極夜時也有科考隊員在站值守，有充足的電力供應。在此基礎上，法意團隊在冰穹C安裝了小口徑望遠鏡，分別是10厘米口徑的ASTEP-South和40厘米口徑的ASTEP-400，在極夜期間開展了許多變星和太陽系外行星的搜尋工作。他們也提出過2米級的光學紅外望遠鏡，但一直沒有得到批準或資助。

日本在冰穹F建有站點，但那是一個度夏站。日本天文學家在2011年1月開展了4天的白晝視寧度測量，由于望遠鏡高度僅為2米，受大氣邊界層內湍流影響較大，得到的視寧度為1.1角秒。2013年1月，他們專門架設了9米高的塔架，進行了20余天觀測，得到的白晝視寧度中值約0.5角秒；而當邊界層厚度低于望遠鏡時，也測量到了0.3角秒左右的優異視寧度。不過，冰穹F至今尚無夜間視寧度的測量結果。此外，日本天文學家也提出過在冰穹F建造望遠鏡進行天文觀測的項目，但也一直未能立項。

此外，南極點雖然不是良好的光學天文臺址，但由于南極高原空氣極端干燥，被稱為“白色沙漠”，是優良的射電和（亞）毫米波觀測臺址。

強勁逆溫層加持

冰穹A獲選“全球最佳觀星點”

從科學研究角度來講，南極大陸共有4個點最為重要：極點、冰點、磁點和高點。

上世紀八十年代之前，美國、俄羅斯和法國分別在前三個點建立了科考站，僅剩南極內陸最高點冰穹A尚屬“空白”，被稱為“不可接近之極”。

我國南極科考隊自1997年開始，從中山站向冰穹A挺進，經過多年艱苦卓絕的探索，終于在2005年1月將五星紅旗插上了南極冰蓋最高點。

我國天文學家在得知這一激動人心的消息后，意識到這是我國天文觀測發展史上的重大機遇。長期以來，我國天文觀測落后于國際先進水平。如果能借助冰穹A優異的臺址條件，選擇有特色的望遠鏡設計，就能在某些領域達到或超過世界一流水平。

為此，我國天文學家聯合國際天文團隊，在我國南極科考的大力支持下，開展了冰穹A的天文臺址測量工作。2008年1月，我國天文學家首次到達冰穹A，并在隨后的南極科考中多次到達冰穹A。

2009年1月，我國在冰穹A地區建成昆侖站。在多年的臺址測量工作中，天文學家在昆侖站地區建立的初步天文觀測場地上，安裝了多種臺址測量儀器，獲取了大量寶貴的臺址數據。這些數據證明了冰穹A作為天文臺址的優越性：夜天光背景暗，與中低緯度最好的臺址相當甚至更暗；晴夜數比例高，無云比例高達83%，略好于中低緯度最好的臺址；風速低，4米高度處的平均風速僅1.5-4米/秒，大約是二級風，而10米/秒（約五級風）以上的大風天氣非常罕見。

最重要的是，冰穹A地區的大氣邊界層厚度中值僅14米，只有冰穹C的一半！也就是說，只需建一座14米左右的塔架，把望遠鏡安裝上去，就可獲得優異的自由大氣視寧度。

2019年，國家天文臺的視寧度測量望遠鏡KL-DIMM的測量記錄確認了這一點，同時也直接測量到了自由大氣視寧度為0.31角秒左右。近期出版的《自然》雜志發表了這一成果，并稱“冰穹A是地面上的最佳觀星點”。與中低緯度的優良臺址相比，冰穹A視寧度更好，在那里建一臺2.5米光學望遠鏡可與其他臺址6米級的望遠鏡相媲美；與同在南極的冰穹C相比，冰穹A的工程建設難度和造價大大降低。

冰穹A邊界層薄，源于其獨特的氣象條件。由于南極高原被冰覆蓋，而極夜時有連續數個月的黑夜，沒有了太陽的照射加熱，雪面迅速輻射降溫，隨之也將冷卻靠近雪面的空氣，造成近地面空氣高度越低，溫度也越低，這被稱為“逆溫層”。由于逆溫層的存在，南極空氣整體非常穩定。

冰穹A的逆溫層有多強呢？天文學家架設了一座14米高的氣象塔，每隔2米布放一個溫度計。離雪面僅2米高度處，溫度就可比冰面處高近15℃，離冰面14米高處則高出20℃。如此強勁的逆溫層造就了地面上最薄的邊界層。實際測量數據也證實，溫差越大，邊界層高度也越低。

昆侖站日夜觀天

我國南極天文研究走向世界前列

現在，我國南極昆侖站的天文場地已初具規模，除了臺址測量，還開展了一些天文觀測。

在昆侖站運行望遠鏡主要有兩大挑戰：一是極端惡劣的自然環境，冬季平均溫度約-60℃，最低超過-80℃，其間由于空氣中水汽始終接近飽和，非常容易結霜；二是昆侖站現在仍是度夏站，每年只有南極夏天的20多天有科考人員到達進行必要的維護，其余時間均為無人值守，故而所有設備必須非常可靠穩定地全自動運行。

我國天文學家在昆侖站安裝了兩代光學望遠鏡。第一代是中國之星小望遠鏡陣CSTAR，口徑僅有14厘米，但視野范圍有20平方度（約81個滿月排列成方陣的大小），望遠鏡固定不動，指向南天極。第二代望遠鏡是南極巡天望遠鏡AST3，口徑增大到50厘米，是南極現在最大的光學望遠鏡，視場仍有4.3平方度，且擁有完整的指向跟蹤功能。

利用冰穹A的觀測條件，以及極夜時連續幾個月的黑夜，CSTAR和AST3開展了以時域天文學為主的研究，即研究各種天體隨時間的變化。

靜謐的夜空中，卻有繁星時時在變化——有的位置在變，如小行星、彗星以及人造天體，有些小行星甚至可能撞向地球，嚴重威脅人類；有的亮度在變，變亮、變暗，甚至是無中生有地突然爆發。

如果一顆恒星也有行星，當行星公轉到我們眼前時，遮住了一點母星的光芒，就會讓這顆恒星看上去變暗，而變暗的幅度就是行星與母星的面積比，小到只有百分之一以下，甚至千分之一、萬分之一，需要非常靈敏的望遠鏡才能觀測到。AST3是我國天文學家首次進行的大規模系外行星搜尋，成功發現了超過100顆高質量候選體，正在進一步研究中。

除了這些微小的變化，宇宙中還有劇烈的爆發，如恒星死亡時的爆炸——超新星等。與AST3類似，現在世界上有大量望遠鏡在監視著夜空，來尋找和研究變化的天體。為提高效率，搜尋的方法主要是利用圖像相減技術，即對一個天區拍一幅圖像后，跟之前拍的圖像（模板）相減，亮度不變的天體就會被基本消除，經過計算機的精細篩選后，再進行人工檢查，最終確認真正變化的天體。

2017年8月17日，人類首次觀測到了雙中子星合并事件GW170817，在引力波和電磁波上都觀測到了該事件，開啟了多信使天文學時代。AST3也參與到對該信號的后隨觀測中，為研究其物理機制提供了重要數據。

我國的南極天文起步較晚，但歷經10多年的快速發展，已經走在了世界前列。我國天文學家在極端環境下的望遠鏡研制技術、無人值守下的自動觀測技術等方面積累了大量寶貴經驗，為我國未來南極大型望遠鏡的研制和運行奠定了堅實基礎。

（作者系中國科學院國家天文臺助理研究員）

望遠鏡“視力”兩大關鍵

通常說來，望遠鏡口徑越大，其“視力”越好，主要體現在兩個方面：一是能看見更暗的天體，二是能看清更多的細節。

前者靠的是增大集光面積，望遠鏡口徑增大10倍，集光面積則增大100倍。我們小時候都玩過放大鏡——在陽光下可以將整個鏡面上的光匯聚到一點，那一點就會非常亮，甚至可以把紙點燃。望遠鏡口徑越大，收集的星光就越多，原本暗弱的星星就可以被看到了。

后者則靠提高角分辨率。打個簡單的比方，在檢查視力時，人與視力表間的距離是固定的，視力越好就可以看清表上更小字母的開口方向，而視力不好的人只能看到一個字母，卻看不清細節。

人眼的角分辨率極限約1角分（一個圓周360度，1度=60角分，1角分=60角秒），農歷十五的滿月在天空中的大小約是30角分，所以我們能夠看到一個圓盤，而太陽系五大行星離我們最近時，其張角最大也才1角分，所以我們用肉眼看都只是一個點。

望遠鏡的理論最大分辨率約等于光的波長除以口徑。簡單來說，一臺10厘米口徑的望遠鏡，在肉眼最敏感的黃綠光波段，分辨率約為1角秒，即肉眼的60倍。

優良光學天文臺選址的必備條件

●大氣穩定，視寧度佳

這一方面可提高角分辨率，看清行星、星系等延展天體的更多細節；另一方面，對恒星等點狀天體而言，由于星光集中在更小的范圍內，包含的天光背景更少，由此提高了昏暗恒星的對比度，可以看到更暗的恒星。

●晴夜數多

烏云會完全擋住星光，即使非常纖薄的云也會遮擋一部分星光，干擾精密的測量，因此天文臺址所在地每年萬里無云的時間越多越好。

●遠離人煙，光污染少

現代都市的夜空被大量人造燈光照亮，使得城市中只能看到少數幾顆最亮的星，只有在農村或者野外才能看到燦爛的星河。

●氣象條件優越