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作者：乘涼（中國科學院大學）

文章來源於(yu) 科學大院公眾(zhong) 號（ID：kexuedayuan）

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被困在城市中的我們(men) ，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雲(yun) 的大廈。偶爾有未被遮擋的天區也往往泛著五顏六色的光，嚴(yan) 重的光汙染籠罩著整片夜空。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(men) 都會(hui) 對這樣的地點避而遠之。若想要建設新的天文台，人口密集區幾乎會(hui) 被直接pass掉（除非特別有錢）。除了避開城市的光汙染，要考慮的因素還有很多。我們(men) 不光要對空氣透明度、大氣湍流、空氣密度的穩定性進行評估，還要考慮該地區每年晴朗的天氣如何，如果從(cong) 事射電觀測，還要兼顧到周邊無線電信號的幹擾程度。

綜合以上考慮，天文台的建址都是選在遠離城市的偏遠地區，或在不知廬山真麵目的高山裏，或在隻能靠望梅止渴續命的沙漠中，也可能在地白風色寒的極地處。

位於(yu) 智利阿塔卡瑪沙漠（世界“幹極”）的歐南天文台（圖片來源：國家地理）

那麽(me) ，地球上有沒有最好的觀測地點呢？如果有，那又在哪裏呢？

冰穹A-最澄澈的星空！

近日，國際科學期刊《自然》雜誌發布了中國科學院國家天文台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於(yu) 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(wei) 東(dong) 南極和西南極，冰穹A的地理位置接近東(dong) 南極的中心。冰穹A之於(yu) 南極相當於(yu) 珠峰之於(yu) 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(wei) 它並不像山那樣直插雲(yun) 霄，看起來與(yu) 平地無異。它的海拔為(wei) 4,093 米，但是由於(yu) 南極大陸整體(ti) 是個(ge) 高海拔地區，其相對高度也隻有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(men) 普通民眾(zhong) 來說，想要親(qin) 自來看一看這裏的星空確實是一件不太現實的事情。因為(wei) 光是南極就離我們(men) 足夠遙遠的了，更何況冰穹 A還深入南極內(nei) 陸1,200多公裏，相當於(yu) 從(cong) 北京駕車前往上海的距離。同時，高海拔稀薄的大氣也會(hui) 讓你退卻，稍有不慎就會(hui) 缺氧。還要留心的是，這裏的嚴(yan) 寒簡直讓人毛骨悚然。夏日溫度為(wei) -40攝氏度左右，每年的冬天，冰穹A的溫度時常會(hui) 低於(yu) -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(zheng) 議）。除了一些人工建設的實驗室，這裏幾乎就是地球上最冷的地方。人類最寒冷的城鎮是位於(yu) 俄羅斯西伯利亞(ya) 東(dong) 北部的奧伊米亞(ya) 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-奧伊米亞(ya) 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(yi) 點點錢）讓冰穹A 良好的觀測環境隻能為(wei) 少數人見證。令人自豪的是，這一絕妙的地點首先是被我們(men) 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(cong) 中山站跨越了1,228公裏到達了冰穹 A。

那麽(me) ，這裏的星空澄澈在哪裏呢？

這就要考慮一個(ge) 重要的可度量指標——視寧度！

為(wei) 什麽(me) 大炮射不中星星？

關(guan) 於(yu) 視寧度我先賣個(ge) 關(guan) 子，大家來看個(ge) 腦筋急轉彎——為(wei) 什麽(me) 大炮射不中星星？先別說什麽(me) 炮彈出膛的速度達不到第二宇宙速度所以射不中星星雲(yun) 雲(yun) ，那樣玩腦筋急轉彎隻會(hui) 被氣死……答案相信大家都不陌生了，是因為(wei) 星星會(hui) “閃”。

不過，星星可不止會(hui) “閃”而已。地球是有大氣的，由內(nei) 而外逐漸稀薄。遙遠的星光想要被我們(men) 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(men) ，光線通過的時候還會(hui) 發生偏折。要命的是，大氣不是像鋼板一樣，溫度不均的空氣會(hui) 帶來各種湍流，並且大的湍流裏還有小湍流，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(men) 將未被大氣“汙染”的星空比作4 K 120幀的視頻，那麽(me) 我們(men) 在普通條件下看到的就是480 p 30幀的糟心畫麵。

這樣一來，星星不光會(hui) “閃”，還會(hui) “糊”，反映在我們(men) 望遠鏡中看到的結果類似下麵這樣子。

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(nei) 星星在望遠鏡的視野裏的位置有變化。我們(men) 平時用業(ye) 餘(yu) 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，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隻能依稀看到條紋，大紅斑幾乎不可見 （圖片來源：britastro.org）

是的，與(yu) 望遠鏡價(jia) 格無關(guan) ，再貴、再精密的鏡子也會(hui) 有模糊的情況。我們(men) 用視寧度來評價(jia) 這種模糊度。所謂視寧度，其科學上的定義(yi) 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(men) 就能理所當然的看到更澄澈的星空。嚴(yan) 格來說，探究視寧度屬於(yu) 大氣科學研究的範疇，天文研究者們(men) 通常隻管測數值，而很少去建立氣象模型來專(zhuan) 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(liang) 個(ge) 相鄰的物體(ti) 分辨開來，我們(men) 看到的畫麵就更加清晰。

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），但是由於(yu) 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(you) 良的台址上，那裏的視寧度一般為(wei) 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。

麵對這樣的難題我們(men) 通常有兩(liang) 條路，一條是走哈勃望遠鏡那樣的太空路。可惜太空路又複雜又燒錢，萬(wan) 一儀(yi) 器出了事故維修起來很麻煩，要不詹姆斯韋伯望遠鏡怎麽(me) 現在還不上天呢。另一條路則是立足於(yu) 地麵，走自適應光學這條路，來嚐試補償(chang) 大氣抖動帶來的誤差。不過這套從(cong) 90年代應用到天文上的技術畢竟隻能做到補償(chang) ，不可能完全消去誤差，所以繼續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(men) 並不遙遠，普通天文愛好者們(men) 也常和它打交道。隻要隨便下載一個(ge) 晴天鍾這樣的app，裏麵就會(hui) 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台密雲(yun) 站有關(guan) 信息

背後的考察工作

南極這一與(yu) 世隔絕的地方沒什麽(me) 人類活動的痕跡，整體(ti) 海拔高，光害小，隻要能解決(jue) 嚴(yan) 寒情況下的設備運行問題，自然是一個(ge) 建造天文觀測台址的好地方。並且在高緯度條件下，利用特有的極夜場景，可以讓我們(men) 連續24小時追蹤某些我們(men) 感興(xing) 趣的天區。

這一回對冰穹A 的探測發現，這個(ge) 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(wei) 0.31 角秒，比我們(men) 以往的選址地實在好太多。在冰穹 A最優(you) 結果出來之前，一直是冰穹 C視寧度數據處於(yu) 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(cong) 2005年開始，我國科考隊就踏足這一區域，完成了對冰穹 A 的考察，並為(wei) 在此建站做了準備工作。2009年，我們(men) 在此建立了我們(men) 的第三個(ge) 南極科考站-昆侖(lun) 站，同時，它還是國內(nei) 首個(ge) 南極內(nei) 陸科考站，位居整個(ge) 南極之巔。往後的科考隊開始陸續在此建立觀測設備。

這次關(guan) 於(yu) 冰穹A的觀測結果，還得依賴於(yu) 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，並部署了新的昆侖(lun) 望遠鏡（全名為(wei) 昆侖(lun) 差分圖像運動監視器，英文簡稱為(wei) KL-DIMM）。昆侖(lun) 望遠鏡的主要任務還是來測視寧度，可以讓我們(men) 定量評估這一位於(yu) 冰穹A 的昆侖(lun) 站天文台址特性。

有趣的是，它並不是被直接固定在地麵上，而是被放置在了8 m的高塔架上。這是因為(wei) 這裏的大氣邊界層厚度低，大約隻有13.9 m，隻要在這個(ge) 高度之上，就可以避免地麵的湍流，從(cong) 而得到極其優(you) 異的視寧度。同時，塔架的架設也是極為(wei) 巧妙，能夠在8 m/s 的風速下，讓頂部平台的晃動小於(yu) 3 mm，要觀測的星星就會(hui) 被牢牢地限定在我們(men) 的視野裏，不會(hui) 再“閃沒”了。

一對昆侖(lun) 望遠鏡和塔架 （圖片來源：商朝暉）

和我們(men) 搭積木一樣，摞得越高越容易倒。我們(men) 的塔架想要在14 m的高度下保持穩定會(hui) 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(wei) 30 m，要想在此處達到和我們(men) 類似的觀測效果，需要搭一個(ge) 三十多米的高穩定塔架，這項工作實在又費腦子又費錢。

此前我們(men) 一直認為(wei) 冰穹A 觀星好，但是具體(ti) 好在哪裏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(ge) 氣象觀測設備，讓我們(men) 有足夠的理由相信冰穹 A是最好的，我們(men) 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(liang) 台 雲(yun) 量極光監測儀(yi) 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，不過即便是後期維護方便，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定性，使其可以適應超低溫工作，讓我們(men) 在家中就能操控終端進行觀測。

事實上，我們(men) 現在就是這麽(me) 幹的。昆侖(lun) 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。至於(yu) 供電方麵我們(men) 也不需擔心，南極嚴(yan) 寒日照能量低，用太陽能麵板又貴又麻煩，能量還不一定能滿足需要，所以我們(men) 幹脆就在望遠鏡旁放上一個(ge) 充滿蓄電池的集裝箱，又方便又穩定。一個(ge) 箱子包用一年，反正每年都會(hui) 有科考任務，到時候直接來這換電池就好了，也不會(hui) 費太多時間。

昆侖(lun) 站天文工作場地 （圖片來源：國家天文台）

要是專(zhuan) 門派人員在這裏看著，物資補給是個(ge) 問題，整日與(yu) 冰雪為(wei) 伴也確實無聊了點。畢竟，沒有誰願意一年四季都挨凍，難道全程自動化它不香嗎？

其實，冰穹A這個(ge) 地方以後不僅(jin) 適合可見光學望遠鏡，極其幹燥的氣候環境伴隨著幹淨的電磁環境，也尤為(wei) 適合射電望遠鏡的工作。在太赫茲(zi) 波段的環境測量可以讓這裏的射電望遠鏡觀測到更多的電磁波段......

總之，這是一塊寶地，以後是少不了為(wei) 我們(men) 國內(nei) 的天文事業(ye) 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 https://suo.im/5DBxbx

[3]我國天文學家證實南極冰穹A為(wei) 地麵最佳光學天文觀測台址—國家科學基金委員會(hui) - https://suo.im/5DBxaJ

[4] Astronomical seeing—Wikipedia https://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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