稻城 | 天文选址途上的明珠

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何处觅星光?选台址可能是天文领域中最艰苦的工作之一。城市快速发展,灯光污染、空气污染等都对天文观测造成影响,天文学家也将目光投向了条件更好的西部。2003年,国家天文台部署启动了重大科研计划——中国西部天文战略选址,针对我国西部地区潜在的优良天文台址进行考察和选择。

除去对地形、地质、运行支撑等天文选址需要考察的内容外,台址选择还需考虑诸多天文观测的相关影响因素,包括晴夜数、视宁度、气象条件等……我国现代夜天文光学观测台址发展至今,诸多优秀台址破土动工,新的中大型望远镜即将落户!

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稻城无名山01号点远观。

我曾在国家天文台怀柔太阳观测基地攻读博士学位。当时怀柔站的热门研究课题正是围绕依水库而建的多通道太阳望远镜展开。水面能够提供良好的大气低层视宁度,从而保障这台望远镜能够获得较高质量磁场数据。在这里,台址选取首次给我留下了深刻印象——任何好的望远镜还需要配备好的观测台址。

毕业后先后访学大熊湖天文台(美)、飞騨天文台(日)、夏威夷天文台(美),以及现今我国最好的抚仙湖太阳天文台等,从这些台址质量的角度更深刻认识到发掘一流天文台址对开展天文观测与研究的重要性。

/ 机遇与挑战

2008年回到云南天文台工作,我期待能够继续日冕磁场测量研究,却发现了国内“一穷二白”的局面,既没有一台日冕仪,更没有现成的适合日冕仪工作的高海拔台址,甚至连一台像样的日冕仪选址设备都无法找到。而当时的中国巨型太阳望远镜(CGST)、巨型日冕仪、高海拔宇宙线观测站(LHAASO)等大项目也急需台址这一关键要素来支撑。意识到这一严峻局面后,国内太阳物理界为了下一代巨型太阳望远镜项目首先行动起来成立了西部太阳选址队,我被任命为选址队长,可谓临危任命。

选址看起来很美,其实该课题是一个很难的硬骨头,不仅身体需要面对与经受各种极端自然条件的挑战,还需要具备很强的天体物理与光学实验专业背景;不仅要了解各类测址设备本身的物理原理、环境大气各种参数相互耦合作用,还需要了解国内外选址设备最新发展,并探索、研发更为先进可靠的选址方法和手段。

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2011年选址队首次驱车抵稻城海子山、兴伊措一带采集数据。现在,该地已成为LHAASO项目的建站址点。

发现稻城,发现科学

大香格里拉涵盖滇川藏交界的横断山脉地区。由于地势复杂、地理落差极大、交通非常不便等原因,这一区域曾经是选址踏勘的禁区和神秘地带。历经了数十万公里艰苦科考与严谨论证,以及经过50多个地址的勘测后,我们终于发现位于大香格里拉核心地带的稻城(北纬30度、东经100度)最佳,并于2014年开始建立稻城无名山高海拔天文台址监测站。

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稻城无名山区域位置及周边地势。

稻城站位于晴空少云区域,从1961-2008年全国范围大面积云量统计的布局上来看,平均云量3-4成,属于优良台址,可满足大型光学望远镜的观测要求。经长期监测,它的白天视宁度、晴日数、积分大气水汽含量和射电环境指标也都非常优秀。

从地理位置和地理环境方面来看,稻城无名山台址位于我国四川省甘孜藏族自治州稻城县与乡城县的交界处,地处青藏高原东南缘,横断山脉东侧。无名山纬度较低,平均海拔在4500米以上,属于低纬度、高海拔山地地貌;其周边区域海拔落差大(周边一小时内有2500-3000米海拔之间的后勤候选基地)、空气洁净、视宁度好、可观测天数多,尤其是晴天连续性很好。该地区可利用的平坦面积广,容易形成大科学集群,便于集中布局和获得地方支持。目前交通条件已大为改善,从西安、成都、重庆、广州等城市都有航班直达稻城亚丁机场,从机场到观测站仅一小时车程。

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从无名山2号址点向南眺望,肉眼清晰可见亚丁景区三座“神山”:央迈勇(顶峰海拔5958米)、夏诺多吉(5958米)、仙乃日(6032米)。这些雪山的直线距离100-120公里,可见该处空气透明度之优良。摄影 / 戴建峰

/ 未来可期,坚持不懈

目前我们在无名山的选址监测站已定点运行多年,搭建了较为完善的电力和网络系统。我们在深入和细化选址的各项工作内容的同时,也形成了对稻城址点更为具体和全面的天文选址报告。其中主要内容包括:1、开展数据分析方法研究与相关统计工作,能适应高海拔极端气候的选址关键设备的高度自动化与集成化;2、对现有监测平台按国际标准进行升级改造,对现有监测站及其周边附近地区保持天文气象数据的继续采集和统计,并进行仔细梳理,以期发现更理想的候选址点;3、为日天文、夜天文和射电天文等不同天文领域候选址点的综合质量评估提供科学、客观、量化的依据。

目前,已经有各类天文观测和空间监测设备陆续落户稻城并取得重要科学发现,并且还有更多的设备计划在稻城落户。这是对我们选址人辛勤工作最好的肯定,也是给我们的最高荣誉。

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建站初期,观测助手冒着严寒在1号址点亲手操作观测设备(图中设备为三台夜间、白天视宁度测量仪DIMM)。

在从事紧张的选址工作的同时,我们也积极推动大口径日冕仪的建设。2012年,提出通过与国外合作的方式引进一台小型日冕仪,推动我国日冕仪实验平台建设,培养日冕仪研发技术人才。2013年获得了日本国立天文台提供的一架小型日冕仪并在丽江高美古成功获得第一批观测资料,证实我国西部高海拔地区拥有优良的日冕光学观测的台址资源,并从此弥补了我国长期无日冕观测数据的空白。

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稻城站星空。版权/杨赣虎

正是借助这架宝贵的日冕仪提供的实验平台,我们研发日冕仪的业务水平有了质的提升,并作为核心成员参加到山东大学和长春光机所的日冕仪研制项目中,于2018年首次联合完成了日冕仪杂散光抑制的实验,突破了六十年来一直限制我国独立研制日冕仪的技术瓶颈,其成果获得了中科院和基金委的肯定。经过该项实验,我们于2021年2月在稻城址点成功观测到白光日冕信号。现在,可以说依靠着稻城这一优秀日冕台址和这支技术团队,我们有信心继续开展下一代大口径日冕仪的研发。

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稻城 | 天文选址途上的明珠

2021年2月,稻城县无名山,我国自主研发日冕仪成功获得白光日冕像。日冕是太阳的最外层结构,很难被观测到,地球大气对阳光的散射会严重干扰对日冕的观测,而大气散射水平较低的地点一般在远离人类居住的高山之巅。在日冕仪发明出来之前,研究者只能在每年发生日全食的时候去观测日冕。如何制造出能产生“日全食”景象的日冕观测仪,如何找到合适的观测址点,一直都是太阳物理工作者的挑战。稻城县无名山,是10余年踏勘选址找到的优良太阳观测址点;50毫米口径的白光日冕仪,是在中科院鸿鹄专项支持下,云南天文台牵头研制的。经过通力合作,在无名山成功获得了内日冕白光像。能否为白光日冕仪寻到一处合适的址点,则标志着一个国家是否具备开展高水平太阳物理观测研究的自然环境。

作者简介 /

刘煜,云南天文台选址与日冕观测团组负责人,从事选址、日冕仪和日冕磁场研究。

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