江南去南极！在地球上看最清晰的星星—新闻—科学网
时间：2024-01-27 22:12:11 已阅读:77次
糊口于年夜气 海底 的人们，为了看到尽可能真正的星空，处处寻觅年夜气清亮、安好的不雅测点。近日，中国科学家发明，位在南极最高点的冰穹A是世界上最好不雅星点。于那里，2.5米口径光学千里镜的不雅测威力可与其他台址6米口径千里镜相媲美。这将为我国南极天文的成长带来新机缘。
千里镜抱负家园 毕竟哪里的星星不爱 眨眼睛 自远古最先，人类就使用肉眼不雅察浩瀚星空。1609年，伽利略初次用千里镜瞄准了夜空，一举发明了玉轮上的环形山、太阳黑子以及木星的四颗最年夜卫星。这极年夜地拓展了人类的视线，开启了近代天文学的年夜门。 其后四百多年，跟着科技前进，光学千里镜技能也履历了屡次厘革。从口径来看，伽利略时代的千里镜口径只要4厘米，而今朝已经建成的最年夜光学千里镜已经达10米，正于设置装备摆设的欧洲南边天文台极年夜千里镜ELT，口径到达了39米 而人眼瞳孔于暗中中也仅能放年夜到约8毫米。 按照理论计较出的分辩率，一台1米口径的千里镜，分辩率可达0.1角秒（相称在于10公里外看一枚硬币），可持久以来却没有现实到达过，这是为何呢？ 这是由于年夜气层的存于。咱们都曾经有如许的经验：安好的水面清亮见底，而湍动的水流却扭曲了水底的情形。空气也是云云，年夜气中布满了湍流。 年夜气中的湍流会形成差别处所年夜气折射率的不停变迁，就像年夜气中充满了小小的偏折镜。好比，高空中的年夜气湍流就会形成星星 眨眼睛 。 这一团团的年夜气湍流给千里镜的分辩率增添了一个分外限定，千里镜终极现实的分辩率只能 屈服 在这两个数值中较年夜的阿谁 当千里镜口径小在年夜气湍流的尺寸时，现实分辩率就是千里镜分辩率；反之，纵然千里镜自己分辩率再高，现实分辩率也只能是年夜气湍流的分辩率。 因为此刻光学千里镜的口径都已经到达米级，是以直径从几厘米到十几厘米的年夜气湍流老是远远小在千里镜的口径，对于应的视宁度从1到几个角秒，极年夜限定了千里镜现实机能的阐扬。是以，为了阐扬千里镜的最年夜潜力，给它们找个适合的家，就成为了天文不雅测的首要使命。 年夜气湍流对于千里镜成像分辩率的影响水平叫做 年夜气视宁度 ，它常被作为天文选址的主要依据之一。 颠末数十年艰辛的选址事情，此刻世界上最优异的台址集中于中低纬度的美国夏威夷、智利北部、西班牙加那利群岛等地，这些处所海拔高度从2000多米到4000多米，视宁度于0.6-0.8角秒，夜间好天比例到达了70%-80%。是以，世界上年夜部门8-10米级千里镜，和于建的3台30米级千里镜均选址于这些区域。 比赛于南极高原 列国竞相寻觅视宁度最好台址 南极年夜陆常年被厚厚的冰层笼罩，南极冰盖的平均厚度跨越2000米，造成了南极内陆高原。 因为其怪异的地舆位置，南极高原始终被以为可能蕴含着优秀的天文台址。但因为其顽劣的天然情况以及相对于单薄的后勤支撑保障威力，直到上世纪90年月，科学家才最先于南顶点 美国的阿蒙森-斯科特科考站，开展天文选址事情。 可丈量成果却使人颇为掉望：南顶点的视宁度较差，到达了1.8角秒，但年夜气湍流重要集中于切近地面100米之内的界限层中，界限层之上的自由年夜气视宁度仅0.3角秒摆布。 界限层是年夜气层中的最底层，受地面影响很年夜，集中了绝年夜部门的年夜气湍流。界限层之上称为自由年夜气，湍流很少。于中低纬度的优质台址中，自由年夜气视宁度约0.4角秒，但界限层厚度约几百米，其影响没法防止。 南极高原盛行降落风，即风是从高处向低处吹，而南顶点海拔仅2835米，处于南极高原的缓坡中，是以风仍旧比力年夜，孕育发生了较多的年夜气湍流。但于南极高原的几个极点，风速就会很是小，那末湍流也就很少，估计视宁度会很是好。这些极点包孕了冰穹A（南纬80 22 东经77 21 ，海拔4093米），冰穹C（南纬75 06 S东经123 20 ，海拔3233米），冰穹F（南纬77 30 S东经37 30 ，海拔3810米）。 依托法国-意年夜利于冰穹C的科考站点，国际团队开展了年夜量天文台址丈量事情。 2004年，Australia新南威尔士年夜学的团队于英国《天然》杂志揭晓了冰穹C夜间视宁度的丈量成果，于距地面30米高度处，视宁度到达了0.27角秒，即冰穹C的界限层厚度只要约30米。 今后，法国、意年夜利团队使用差别仪器连续举行了多年监测，进一步确认了冰穹C界限层厚度约30米，自由年夜气视宁度约0.3角秒。因为冰穹C是越冬站，极夜时也有科考队员于站值守，有足够的电力供给。于此根蒂根基上，法意团队于冰穹C安装了小口径千里镜，别离是10厘米口径的ASTEP-South以及40厘米口径的ASTEP-400，于极夜时期开展了很多变星以及太阳系生手星的征采事情。他们也提出过2米级的光学红外千里镜，但始终没有获得核准或者资助。 日本于冰穹F建有站点，但那是一个度夏站。日本天文学家于2011年1月开展了4天的白昼视宁度丈量，因为千里镜高度仅为2米，受年夜气界限层内湍流影响较年夜，获得的视宁度为1.1角秒。2013年1月，他们专门架设了9米高的塔架，举行了20余天不雅测，获得的白昼视宁度中值约0.5角秒；而当界限层厚度低在千里镜时，也丈量到了0.3角秒摆布的优秀视宁度。不外，冰穹F至今尚无夜间视宁度的丈量成果。此外，日本天文学家也提出过于冰穹F制作千里镜举行天文不雅测的工程，但也始终未能立项。 此外，南顶点虽然不是精良的光学天文台址，但因为南极高原空气极度干燥，被称为 白色戈壁 ，是优质的射电以及（亚）毫米波不雅测台址。 强劲逆温层加持 冰穹A获选 全世界最好不雅星点 从科学研究角度来说，南极年夜陆共有4个点最为主要：顶点、冰点、磁点以及高点。 上世纪八十年月以前，美国、俄罗斯以及法国别离于前三个点成立了科考站，仅剩南极内陆最高点冰穹A尚属 空缺 ，被称为 不成靠近之极 。 我国南极科考队自1997年最先，从中山站向冰穹A挺进，颠末多年艰辛卓绝的摸索，终究于2005年1月将五星红旗����APP插上了南极冰盖最高点。 我国天文学家于得悉这一冲动人心的动静后，意想到这是我国天文不雅测成长史上的庞大机缘。持久以来，我国天文不雅测掉队在国际进步前辈程度。假如能借助冰穹A优秀的台址前提，选择有特点的千里镜设计，就能于某些范畴到达或者跨越世界一流程度。 为此，我国天文学家结合国际天文团队，于我国南极科考的鼎力大举撑持下，开展了冰穹A的天文台址丈量事情。2008年1月，我国天文学家初次达到冰穹A，并于随后的南极科考中屡次达到冰穹A。 2009年1月，我国于冰穹A地域建成昆仑站。于多年的台址丈量事情中，天文学家于昆仑站地域成立的开端天文不雅测园地上，安装了多种台址丈量仪器，获取了年夜量名贵的台址数据。这些数据证实了冰穹A作为天文台址的优胜性：夜天光配景暗，与中低纬度最佳的台址相称以至更暗；晴夜数比例高，无云比例高达83%，略好过中低纬度最佳的台址；风速低，4米高度处的平均风速仅1.5-4米/秒，约莫是二级风，而10米/秒（约五级风）以上的年夜风气候很是稀有。 最主要的是，冰穹A地域的年夜气界限层厚度中值仅14米，只要冰穹C的一半！也就是说，只需建一座14米摆布的塔架，把千里镜安装上去，就可得到优秀的自由年夜气视宁度。 2019年，国度天文台的视宁度丈量千里镜KL-DIMM的丈量记载确认了这一点，同时也间接丈量到了自由年夜气视宁度为0.31角秒摆布。近期出书的《天然》杂志揭晓了这一结果，并称 冰穹A是地面上的最好不雅星点 。与中低纬度的优质台址比拟，冰穹A视宁度更好，于那里建一台2.5米光学千里镜可与其他台址6米级的千里镜相媲美；与同于南极的冰穹C比拟，冰穹A的项目设置装备摆设难度以及造价年夜年夜降低。 冰穹A界限层薄，源在其怪异的景象形象前提。因为南极高原被冰笼罩，而极夜时有持续数个月的黑夜，没有了太阳的照射加热，雪面迅速辐射降温，随之也将冷却接近雪面的空气，形成近地面空气高度越低，温度也越低，这被称为 逆温层 。因为逆温层的存于，南极空气总体很是不变。 冰穹A的逆温层有多强呢？天文学家架设了一座14米高的景象形象塔，每一隔2米布放一个温度计。离雪面仅2米高度处，温度就可比冰面处高近15℃，离冰面14米高处则超出跨越20℃。云云强劲的逆温层培养了地面上最薄的界限层。现实丈量数据也证明，温差越年夜，界限层高度也越低。 昆仑站昼夜不雅天 我国南极天文研究走向世界前列 此刻，我国南极昆仑站的天文园地已经初具范围，除了了台址丈量，还开展了一些天文不雅测。 于昆仑站运转千里镜重要有两年夜应战：一是极度顽劣的天然情况，冬日平均温度约-60℃，最低跨越-80℃，此间因为空气中水汽一直靠近饱以及，很是轻易结霜；二是昆仑站此刻仍是度夏站，每一年只要南极炎天的20多天有科考职员达到举行须要的维护，其余时间均为无人值守，故而所有装备必需很是靠得住不变地全主动运转。 我国天文学家于昆仑站安装了两代光学千里镜。第一代是中国之星小千里镜阵CSTAR，口径仅有14厘米，但视线规模有20平方度（约81个满月摆列成方阵的巨细），千里镜固定不动，指向南天极。第二代千里镜是南极巡天千里镜AST3，口径增年夜到50厘米，是南极此刻最年夜的光学千里镜，视场仍有4.3平方度，且拥有完备的指向跟踪功效。 哄骗冰穹A的不雅测前提，和极夜时持续几个月的黑夜，CSTAR以及AST3开展了以时域天文学为主的研究，即研究各类天体随时间的变迁。 安谧的夜空中，却有繁星不时于变迁 有的位置于变，如小行星、彗星和人造天体，有些小行星以至可能撞向地球，严峻威逼人类；有的亮度于变，变亮、变暗，以至是无中生有地忽然发作。 假如一颗恒星也有行星，当行星公转到咱们面前时，遮住了一点母星的光线，就会让这颗恒星看上去变暗，而变暗的幅度就是行星与母星的面积比，小到只要百分之一如下，以至千分之1、万分之一，需要很是敏捷的千里镜才气不雅测到。AST3是我国天文学家初次举行的年夜范围系生手星征采，乐成发明了跨越100颗高品质候选体，正于进一步研究中。 除了了这些微小的变迁，宇宙中另有剧烈的发作，如恒星灭亡时的爆炸 超新星等。与AST3近似，此刻世界上有年夜量千里镜于监督着夜空，来寻觅以及研究变迁的天体。为提高效率，征采的要领重要是哄骗图象相减技能，即对于一个天区拍一幅图象后，跟以前拍的图象（模板）相减，亮度稳定的天体就会被基本消弭，颠末计较机的邃密筛选后，再举行人工查抄，终极确当真正变迁的天体。 2017年8月17日，人类初次不雅测到了双中子星归并事务GW170817，于引力波以及电磁波上都不雅测到了该事务，开启了多信使天文学时代。AST3也介入到对于该旌旗灯号的后随不雅测中，为研究其物理机制提供了主要数据。 我国的南极天文起步较晚，但历经10多年的倏地成长，已经经走于了世界前列。我国天文学家于极度情况下的千里镜研制技能、无人值守下的主动不雅测技能等方面堆集了年夜量名贵经验，为我国将来南极年夜型千里镜的研制以及运转奠基了坚实根蒂根基。 （作者系中国科学院国度天文台助理研究员） 千里镜 目力 两年夜要害 凡是说来，千里镜口径越年夜，其 目力 越好，重要表现于两个方面：一是能瞥见更暗的天体，二是能看清更多的细节。 前者靠的是增年夜集光面积，千里镜口径增年夜10倍，集光面积则增年夜100倍。咱们小时辰都玩过放年夜镜 于阳光下可以将整个镜面上的光会聚到一点，那一点就会很是亮，以至可以把纸点燃。千里镜口径越年夜，网络的星光就越多，原本暗弱的星星就能够被看到了。 后者则靠提高角分辩率。打个简朴的比喻，于查抄目力时，人与目力表间的间隔是固定的，目力越好就能够看清表上更小字母的启齿标的目的，而目力欠好的人只能看到一个字母，却看不清细节。 人眼的角分辩率极限约1角分（一个圆周360度，1度=60角分，1角分=60角秒），夏历十五的满月于天空中的巨细约是30角分，以是咱们可以或许看到一个圆盘，而太阳系五年夜行星离咱们近来时，其张角最年夜也才1角分，以是咱们用肉眼看都只是一个点。 千里镜的理论最年夜分辩率约等在光的波长除了以口径。简朴来讲，一台10厘米口径的千里镜，于肉眼最敏感的黄绿光波段，分辩率约为1角秒，即肉眼的60倍。 优质光学天文台选址的必备前提 ●年夜气不变，视宁度佳 这一方面可提高角分辩率，看清行星、星系等延展天体的更多细节；另外一方面，对于恒星等点状天体而言，因为星光集中于更小的规模内，包罗的天光配景更少，由此提高了暗淡恒星的对于比度，可以看到更暗的恒星。 ●晴夜数多 乌云会彻底盖住星光，纵然很是纤薄的云也会遮挡一部门星光，滋扰周详的丈量，是以天文台址地点地每一年万里无云的时间越多越好。 ●阔别火食，光污染少 现代都市的夜空被年夜量人造灯光照亮，使患上都会中只能看到少数几颗最亮的星，只要于屯子或者者野外才气看到辉煌光耀的银河。 ●景象形象前提优胜 包孕风速小（有益在千里镜不变运转），湿度小（避免夜间结露结霜），空气干净等。出格声明：本文转载仅仅是出在流传信息的需要，其实不象征着代表本消息网不雅点或者证明其内容的真实性；如其他媒体、消息网或者小我私家从本消息网转载使用，须保留本消息网注明的“来历”，并自大版权等法令义务；作者假如不但愿被转载或者者接洽转载稿费等事宜，请与咱们联系。/江南