一提到天文學(xué)家，人們的第一印象就是“看星星的人”。但現(xiàn)在，“看星星”這件事兒已經(jīng)不再是隨便找個(gè)伸手不見(jiàn)五指的夜晚，坐在望遠(yuǎn)鏡后面對(duì)著天看一晚上這么簡(jiǎn)單了。不僅要講究用什么樣的望遠(yuǎn)鏡，后面接的科學(xué)儀器是什么，就連在哪兒放望遠(yuǎn)鏡都必須花上幾年功夫去研究論證。

那么在天文學(xué)家眼里，什么樣的臺(tái)址是一個(gè)好臺(tái)址，如何評(píng)價(jià)一個(gè)臺(tái)址的好壞呢？在這篇小文中，我們聊一聊夜天文（夜天文指在晚上觀測(cè)的天文研究）中光學(xué)—紅外望遠(yuǎn)鏡的選址。

夜晚的Mauna Kea（圖源：凱克天文臺(tái)，xintu.keckobservatory.org）

撰文 | 馮麓

編輯 | 韓越揚(yáng)

說(shuō)起夜天文光學(xué)—紅外望遠(yuǎn)鏡選址，不得不提最近天文圈的一件大事兒：30米望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址之爭(zhēng)。

從上世紀(jì)90年代到2010年，世界上先后興建了13臺(tái)10米級(jí)的大口徑光學(xué)—紅外望遠(yuǎn)鏡，大大拓展了人們對(duì)于宇宙的了解和認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，天文學(xué)家提出要在本世紀(jì)30年代前再建成3臺(tái)無(wú)論是在性能還是造價(jià)方面都舉世無(wú)雙的、口徑30米級(jí)的光學(xué)—紅外望遠(yuǎn)鏡。其中一臺(tái)就是我們要說(shuō)的30米望遠(yuǎn)鏡（Thirty Meter Telescope）。

這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃在夏威夷大島的莫納克亞山（Mauna Kea，Hawaii）頂興建。但是一開(kāi)工，就遭到了包括權(quán)游里面的馬王、龍媽和一眾當(dāng)?shù)赝林膹?qiáng)烈反對(duì)。反對(duì)派發(fā)起了攔路甚至是游行來(lái)抗議，他們認(rèn)為建設(shè)這臺(tái)觀天的大望遠(yuǎn)鏡會(huì)使“圣山”蒙羞。當(dāng)然神仙的事咱們凡人各有理解，但若因此更換臺(tái)址，所有天文學(xué)家都堅(jiān)決反對(duì)。于是，曠日持久的法律戰(zhàn)拉開(kāi)帷幕。

圖1. “我們是莫納克亞（We are Mauna Kea）”。馬王杰森率演藝界的諸位明星加入反對(duì)TMT在莫納克亞山頂建設(shè)的行動(dòng)中。（圖源：bbc.com）

為什么天文學(xué)家對(duì)于這個(gè)臺(tái)址的選擇如此堅(jiān)決，它的好處又在哪里呢？這就是我們這篇文章要聊的，夜天文光學(xué)—紅外望遠(yuǎn)鏡的選址。

給望遠(yuǎn)鏡選址就跟咱們平?？捶恳粯?。買房攻略里面通常會(huì)列出一二三四，每條照做就不怕挑不到好房子；望遠(yuǎn)鏡既然是為天文學(xué)家觀天所用，提供“地利”的臺(tái)址就要能夠幫助望遠(yuǎn)鏡做到三條：1. 看得見(jiàn)，2. 看得深，3. 看得更清晰。

“看得見(jiàn)”是個(gè)0和1的問(wèn)題

天文學(xué)家造望遠(yuǎn)鏡跟咱們平時(shí)買單反相機(jī)不太一樣，不是說(shuō)手里有錢了就朝著最貴的那個(gè)去了。作為有科學(xué)修養(yǎng)并且理性消費(fèi)的人群，科學(xué)家首先要做的是分析自己想要看什么，現(xiàn)在的望遠(yuǎn)鏡能不能看到，不能看到的話應(yīng)該造一個(gè)什么樣的望遠(yuǎn)鏡。所以正常情況下，科學(xué)目標(biāo)先行，望遠(yuǎn)鏡建成初期大概想看什么也就已經(jīng)定了。而在臺(tái)址這里能不能看見(jiàn)想要看的目標(biāo)就成為首先要考察的內(nèi)容。

對(duì)于夜天文的光學(xué)—紅外望遠(yuǎn)鏡，臺(tái)址的兩條屬性決定了這個(gè)0和1問(wèn)題的答案：1. 緯度，2. 云量。

緯度的問(wèn)題源于太陽(yáng)的位置。我們的太陽(yáng)位于銀河系較邊緣的位置，不僅黃道面（ecliptic plane）與銀道面（galactic plane）存在一個(gè)夾角，我們地球的自轉(zhuǎn)軸與黃道面也存在一個(gè)夾角。從圖2中可以看到指向北天極（North celestial pole）和指向北黃極（North Ecliptic Pole）的箭頭并不平行。也就是說(shuō)，我們?cè)诘厍蛏鲜恰巴帷敝聪蜚y河系中心的。

這個(gè)朝向就使得南半球所對(duì)應(yīng)的南天可以看到更多銀河系內(nèi)的天體，尤其是更多的恒星。而在北半球?qū)?yīng)的北天，可以看到的銀河系內(nèi)的天體相比南天要少，但由于銀河系造成的遮擋也相對(duì)更少，借助望遠(yuǎn)鏡可以看到銀河系外和銀盤(pán)外的天體。

二戰(zhàn)結(jié)束前，美國(guó)一直憑借在北美建設(shè)的望遠(yuǎn)鏡占據(jù)著觀測(cè)天文的領(lǐng)先位置。二戰(zhàn)結(jié)束后，歐洲天文界決定復(fù)興，便聯(lián)合組建了歐洲南方天文臺(tái)（ESO，European Southern Observatory）。ESO建臺(tái)之初就瞅準(zhǔn)了南天這片一直沒(méi)人看的空白，搶得了先機(jī)，也奠定了ESO后來(lái)在觀測(cè)天文領(lǐng)域領(lǐng)先的基礎(chǔ)。

圖2. 銀道面、黃道面和地球自轉(zhuǎn)軸之間的關(guān)系。（圖源：starchild.gsfc.nasa.g

除了地理位置，另一個(gè)決定光學(xué)—紅外望遠(yuǎn)鏡是否看得見(jiàn)天體的因素就是云。我們一直在提“光學(xué)—紅外”，天文學(xué)家定義的 “光學(xué)”波段，基本和咱們?nèi)搜鬯芨杏X(jué)到的波段是一致的。至于“紅外”波段，咱們?cè)诳锤鞣N影視節(jié)目里看到的紅外熱像儀、溫度計(jì)、老式的電視無(wú)線遙控器都在這個(gè)波段，它是“熱輻射”所體現(xiàn)的一個(gè)波段。這兩個(gè)波段對(duì)于咱們來(lái)說(shuō)最熟悉，認(rèn)識(shí)也最為清楚。

太陽(yáng)作為既有光學(xué)又有紅外波段輻射的天體，在沒(méi)云的時(shí)候，我們能看到它（光學(xué)），感受到它的熱量（熱紅外）。而在有云的時(shí)候，天變暗了（影響光學(xué)），溫度也下降了（影響熱紅外）。所以云的影響非常大，大到?jīng)Q定了能不能從地面看到來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的光，也就是說(shuō)，云量決定了能不能看到這些天體。

天文學(xué)家會(huì)根據(jù)天頂方向一定范圍內(nèi)是否持續(xù)數(shù)小時(shí)無(wú)云，來(lái)界定晚上是全晴夜（也叫測(cè)光夜）、良夜（光譜夜）還是有云夜[1]。對(duì)一個(gè)臺(tái)址云量的評(píng)估，則是根據(jù)數(shù)年來(lái)從地面監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均一年當(dāng)中測(cè)光夜、光譜夜占全年時(shí)間的百分比。這個(gè)百分比大致決定了一臺(tái)坐落在這里的望遠(yuǎn)鏡正常工作一年能實(shí)際觀測(cè)的時(shí)間。

“看多深”是個(gè)綜合能力問(wèn)題

望遠(yuǎn)鏡建得一個(gè)比一個(gè)大，主要原因就是望遠(yuǎn)鏡還承擔(dān)著收集光子的角色?？趶皆酱?，收集光子的“水盆”越大，集光能力就越強(qiáng)。這樣即使非常暗弱的天體都可以被觀測(cè)到。我們知道越遠(yuǎn)的天體越暗弱，所以能看到多暗弱、多深的天體，取決于望遠(yuǎn)鏡以及望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址的綜合能力。咱們這里單講臺(tái)址對(duì)探測(cè)深度的影響。既然是探測(cè)，無(wú)外乎就是要從信號(hào)和噪聲兩方面進(jìn)行考慮。

我們先從信號(hào)講起。

從選址角度考慮，對(duì)信號(hào)有所影響的便是天體與望遠(yuǎn)鏡之間的大氣。由于大氣中存在的灰塵、氣溶膠對(duì)光線有散射和吸收作用，可見(jiàn)光波段的電磁信號(hào)在穿過(guò)大氣的時(shí)候會(huì)發(fā)生衰減，這種現(xiàn)象被稱作“大氣消光”[2]。本來(lái)可以100%透明的大氣會(huì)因?yàn)榇髿庀鈱?dǎo)致透明度降低。

由于人類活動(dòng)會(huì)造成空氣中存在大量散射光線的灰塵、污染物，所以臺(tái)址是否遠(yuǎn)離人口密集區(qū)域是衡量選址優(yōu)劣要考慮的條件之一。

在紅外波段，吸收天體信號(hào)的則是大氣中的水汽[3]。圖3中顯示的是從紫外到遠(yuǎn)紅外波段大氣透過(guò)率（透明度）的變化情況。我們可以看到，從近紅外最左端（波長(zhǎng)0.9微米左右）到遠(yuǎn)紅外最右端（波長(zhǎng)30微米），大氣透過(guò)率存在非連續(xù)的變化。這些透過(guò)率比較高的部分，就被稱作大氣的紅外窗口。盡管這些窗口的位置大致不會(huì)發(fā)生變化，但大氣中水汽含量的多少卻會(huì)影響水分子對(duì)紅外波段光子的吸收強(qiáng)度，進(jìn)而影響到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的光子數(shù)量。在干旱、高海拔、少植被的地區(qū)，大氣中的水汽含量會(huì)比較少，所以一個(gè)優(yōu)良的光學(xué)紅外天文臺(tái)址一般都會(huì)具備這樣的條件。

圖3. 從0.3微米的紫外到30微米的遠(yuǎn)紅外，不同波段的大氣透過(guò)率形狀非常不同。在紅外波段（1微

從背景噪聲來(lái)看，也需要分為兩部分考慮：一部分是可見(jiàn)光+近紅外；另一部分是熱紅外，也就是中紅外部分。

對(duì)于前者，背景噪聲主要來(lái)自天空?？瓷先ズ诎档奶炜眨瑢?shí)際上并不“黑暗”，而是在發(fā)出暗淡的光。盡管咱們?nèi)庋劭床灰?jiàn)，但相對(duì)來(lái)自宇宙深處的暗淡星光來(lái)說(shuō)，天空的光亮（天光背景）不容忽視，甚至可能更亮。天光背景有大自然本身產(chǎn)生的，比如星系塵埃對(duì)太陽(yáng)光散射造成的黃道光，來(lái)自銀河系的天光背景，大氣輝光等等，也有來(lái)自人類活動(dòng)所產(chǎn)生的光被大氣對(duì)流層散射而造成的光污染。

在熱紅外波段，背景噪聲主要來(lái)自望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)、圓頂?shù)臒彷椛渌鶐?lái)的熱噪聲[4]。為使圓頂內(nèi)氣流穩(wěn)定，望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的溫度與室外溫度通常保持一致。所以要想盡量降低熱噪聲，就需要外界環(huán)境的溫度足夠低。

所以總體看來(lái)，要想看得深，天空越暗，環(huán)境越干冷，離人煙越遠(yuǎn)，就越好。

“看得更清晰”要看大氣同意不同意

關(guān)于前不久很火熱的黑洞照片，大家問(wèn)得最多的問(wèn)題就是：為什么照片里的黑洞不清晰？清晰與否對(duì)于了解觀察對(duì)象的特征特性有著重要的意義。

對(duì)于光學(xué)—紅外望遠(yuǎn)鏡，尤其是大口徑望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址而言，大氣條件很大程度上決定了光學(xué)至中紅外波段可以達(dá)到的分辨率。對(duì)于遠(yuǎn)紅外波段，由于波長(zhǎng)長(zhǎng)，理論分辨率就比較差，大氣對(duì)長(zhǎng)波的影響也較小，所以一般都可以達(dá)到理論極限。那么，大氣是怎么影響這個(gè)波段上望遠(yuǎn)鏡的分辨率的呢？[5]

光以電磁波的形式從天體發(fā)射出來(lái)。因?yàn)槲覀冇^測(cè)的天體距離遙遠(yuǎn)，來(lái)自天體的電磁波波陣面在地球大氣層上方的一部分近似為平面。我們稱這個(gè)平面為波前。波前上相位相同。如果望遠(yuǎn)鏡放在太空，那么波前進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡后，將得到一個(gè)單純由望遠(yuǎn)鏡口徑?jīng)Q定的艾里斑。

但是，一旦存在大氣，平面波前就會(huì)由于大氣湍流產(chǎn)生畸變。地面上的望遠(yuǎn)鏡接收成像后，將得到斑點(diǎn)圖（Speckle Image，圖4）。圖中每一個(gè)斑點(diǎn)的大小均與艾里斑近似。天文觀測(cè)因?yàn)榻?jīng)常要長(zhǎng)時(shí)間曝光，得到的最終圖像就是一幅幅短曝光斑點(diǎn)圖疊加出來(lái)的一個(gè)巨大光斑。

這個(gè)巨大光斑的尺寸與曝光過(guò)程中大氣湍流的情況直接相關(guān)，我們將這個(gè)尺寸定義為“視寧度”。如果不對(duì)湍流進(jìn)行校正，通過(guò)大口徑望遠(yuǎn)鏡拍攝到的星斑都“碩大無(wú)比”。對(duì)于一個(gè)優(yōu)良的臺(tái)址，視寧度在500納米波長(zhǎng)處的全年中值為0.5-1個(gè)角秒左右。

圖4. 艾里斑（左）和短時(shí)間曝光斑點(diǎn)圖（右）

如果考慮望遠(yuǎn)鏡理論分辨率，一臺(tái)10米級(jí)望遠(yuǎn)鏡在同樣波長(zhǎng)下理論分辨率應(yīng)為0.01角秒左右，遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)際分辨率，可見(jiàn)大氣湍流在光學(xué)紅外波段對(duì)望遠(yuǎn)鏡分辨率的顯著影響。雖然利用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行校正，可以在一定程度上削減大氣湍流的影響，但校正的效果非常依賴于大氣湍流在不同高度上的強(qiáng)度分布。湍流分布越簡(jiǎn)單，校正效果越好，校正后圖像的分辨率也就越接近望遠(yuǎn)鏡的理論極限。

根據(jù)上面列出的這一條條臺(tái)址要素，我們心里大概能描繪出一個(gè)優(yōu)良光學(xué)—紅外天文臺(tái)址的樣子——它的天空背景非常黑暗，萬(wàn)里無(wú)云，布滿繁星；那里寒冷而又干旱，植被稀少，并且遠(yuǎn)離城市；它的海拔很高，在那里看到的星星不會(huì)眨眼。

下面我們挑選了三個(gè)在地理環(huán)境上非常有特點(diǎn)，也是國(guó)際上已建的最好的光學(xué)—紅外臺(tái)址，大家可以對(duì)照看一看是不是都具備上面幾個(gè)特點(diǎn)。

活火山頂上的天文臺(tái)

夏威夷，大島，活火山莫納克亞山頂海拔4200米處坐落著國(guó)際公認(rèn)的北半球已建成的最好的光學(xué)—紅外天文臺(tái)址。國(guó)際上的8-10米級(jí)望遠(yuǎn)鏡中，就有4臺(tái)坐落于此。

類似火星表面紅色的土壤上幾乎找不到任何植被，夜晚的星空卻璀璨異常。整座火山就像一個(gè)巨人矗立在海中。來(lái)自太平洋的反氣旋在海拔2000米的半山腰生成了一個(gè)近似“空氣墻”的逆溫層，阻隔了低海拔空氣、水汽以及塵埃向高海拔的運(yùn)動(dòng)，保證了山頂異常優(yōu)良的視寧度和大氣結(jié)構(gòu)。出于同樣的原因，臺(tái)址上方的云量以高空卷云為主，所以總體云量相對(duì)通常的大陸型臺(tái)址要好很多。

圖5. 莫納克亞的白天與夜晚。上圖中的四臺(tái)望遠(yuǎn)鏡從左至右分別為日本的斯巴魯望遠(yuǎn)鏡，美國(guó)的兩臺(tái)凱克望遠(yuǎn)

不僅如此，從莫納克亞山頂4000多米驅(qū)車返回海平面的山下僅需1個(gè)半小時(shí)。山頂只維持最低數(shù)量的工作人員輪班，更多的時(shí)候他們?cè)谏较驴偛抗ぷ?。從夏威夷火奴魯魯坐飛機(jī)飛往大島，連上候機(jī)時(shí)間也不到1個(gè)小時(shí)。這一切的一切，也就無(wú)怪乎莫納克亞山頂（和下面要討論的智利一起）成為天文學(xué)家最向往的光學(xué)—紅外天文臺(tái)址了。

“最長(zhǎng)的山脈，最干的地方”有座天文臺(tái)

智利的安第斯山脈是世界上離海岸線最近，距離卻又最長(zhǎng)的山脈。這座山脈就像一堵墻，將來(lái)自太平洋的氣候與內(nèi)陸的氣候分割開(kāi)來(lái)。而在這座山脈上的世界上最干旱的地方，阿克塔馬沙漠旁不遠(yuǎn)處，就坐落著南半球已建成的最好的光學(xué)—紅外天文臺(tái)址——帕切翁（Cerro Pachon）。

帕切翁的海拔有2600米，雖然沒(méi)有莫納克亞高，但干旱的程度不相上下。獨(dú)特的地形造成了這塊地方全年全晴夜幾乎可以達(dá)到90%。從圖6的衛(wèi)星照片中我們也能看出那墻一樣褐色的安第斯山脈將兩邊的云阻擋在兩側(cè)，非常神奇。

圖6. 從衛(wèi)星上看安第斯山脈ALMA射電望遠(yuǎn)鏡陣（阿克塔馬沙漠）與VLT甚大望遠(yuǎn)鏡陣（帕切翁）。

在歐洲南方天文臺(tái)帕切翁臺(tái)站，四臺(tái)8.2米口徑的光學(xué)—紅外望遠(yuǎn)鏡為諸多天文學(xué)家服務(wù)。兩千多米的海拔幾乎不會(huì)使人感受到高原反應(yīng)。講究的歐洲天文學(xué)家更是將建筑藝術(shù)帶到了觀測(cè)人員宿舍的設(shè)計(jì)當(dāng)中。半地下式的宿舍，餐廳、圖書(shū)館、游泳池、臥室、辦公室一應(yīng)俱全，而且設(shè)計(jì)的極有格調(diào)，難怪連007《量子危機(jī)》都要在這里拍上一段。

圖7. VLT觀測(cè)人員宿舍（La Residiencia）。（圖源：歐洲南方天文臺(tái)）

“地球上最寒冷的地方”

南極，地球上溫度最低的地方，卻可能是最適合天文觀測(cè)的臺(tái)址之一。在南極最高點(diǎn)，海拔4100米的冰穹A不僅因?yàn)闃O夜可以連續(xù)24小時(shí)不斷對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)天體的時(shí)變規(guī)律，而且由于遠(yuǎn)離人類環(huán)境，天空背景和大氣透明度都極為優(yōu)秀[6]。目前測(cè)得的冰穹A的大氣視寧度也非常好。同時(shí)由于溫度非常低，大氣中的水汽含量也就非常低。這些都使得望遠(yuǎn)鏡在可見(jiàn)光波段以及紅外波段具備看得深、看得清晰的必備條件。

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的科考隊(duì)已經(jīng)在這里豎起了我們國(guó)家的旗幟。期待在不久的未來(lái)，對(duì)該臺(tái)址的持續(xù)監(jiān)測(cè)可以幫助我們了解更多。

圖8. 南極冰穹A站點(diǎn)。（圖源：新南威爾士大學(xué)物理系Plato項(xiàng)目）

上面提到的三個(gè)臺(tái)址僅是較為典型的、已經(jīng)建站了的臺(tái)址。對(duì)于內(nèi)陸臺(tái)址，由于其地形結(jié)構(gòu)和氣候因素更為復(fù)雜，需要具體情況具體分析，但仍有找到優(yōu)秀臺(tái)址的可能。隨著天文學(xué)家不斷努力，選址工作不斷開(kāi)展，一定會(huì)有越來(lái)越多優(yōu)秀的光學(xué)—紅外天文臺(tái)址為人們所發(fā)現(xiàn)。

作者介紹

馮麓，一個(gè)學(xué)工的理學(xué)博士，2012畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院研究生院?，F(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員。主要研究方向?yàn)樽赃m應(yīng)光學(xué)及鈉激光導(dǎo)星激光器相關(guān)技術(shù)。非常有幸能夠從讀博期間到現(xiàn)在先后參與VLT、ELT、TMT自適應(yīng)光學(xué)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，并在近兩年參與到國(guó)內(nèi)建設(shè)大口徑光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡的前期籌劃工作當(dāng)中。