基特峰国立天文台观测手记

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写在前面

在亚利桑那大学的第一个月，我便来到基特峰国立天文台（Kitt Peak National Observatory）的Bok 2.3m望远镜上观测了两周。这篇文章是两篇观测手记中的第一篇，主要讲的是在山上做的正经的天文观测；第二篇随后也会写好，讲的是不算正经的业余天文观测，和其他的一些参观杂记。

初

识基特峰是在2012年。当时读《天文爱好者》杂志，有一期刊登了一篇在基特峰的观测散记，虽说文章内容已经忘了个干净，但当时的我处在一个对天文最为感兴趣的年纪，所以这个地名也算是记了下来（也是奇怪，我一直对记地名有着特殊的兴趣）。

也许是有关Kitt Peak最有名的照片之一，闪电下的望远镜圆顶。图片来源：NOAO

到了2016年春天，该是天文系的本科生申请公派出国交换的季节了，我作为绩点倒数第二侥幸申请到了去亚利桑那大学实习四个月的机会，得知自己有理论上的机会来基特峰观测，内心甚是激动。恰巧后续北京-亚利桑那巡天项目（Beijing-Arizona Sky Survey, BASS）正好需要去Bok 2.3m望远镜上观测的人手，我就报了名。还好，虽然中有波折，也算是如期抵达了图森（Tucson）市，按时报了到，最后也完整参与了2017年4月的BASS run。

2017年4月BASS的观测时间表

从图森市向西南驱车一小时左右，便可以抵达基特峰，沿途上86号公路颇为笔直，道路两旁能看到各式各样的沙漠植物，比如各种体格的仙人掌。炽热的阳光将路面烤的滚烫，一路上都可以看到远方镜面一样的蜃景。车行一半，便可以远远地眺见山头上的一座银白色的圆顶，这便应当是位于山头最高处的Mayall 4m望远镜。到了山脚，沿着盘山公路爬升三千余英尺，就来到了海拔2097米的基特峰上。

车已经驶入了基特峰的山脚，由于射电天文观测的需要，这里没有了手机信号（No Service）。仔细看图的右上角山顶，几个小白点就是望远镜圆顶，其中最大的就是4m 的Mayall望远镜。

就海拔而论，基特峰不算高，就个人上山经历而言，不如京郊的大海陀与雾灵，但山不在高，各项出众的条件使得这里成为了优良的天文台址。在二战之后，美国人打算兴建新的光学望远镜台址，在诸地考察之后，相中了这里的宁静而干燥的空气。当时的不远处图森大概只能算一个镇子，光污染并不严重的同时还能提供充足的物资供给。而且在那个年代，亚利桑那大学天文系已经搞得有声有色，人才团队也有着坚实的基础。于是，基特峰国立天文台就这样在这个印第安人的地盘上建立起来，美国国家光学天文台（National Optical Astronomy Observatory, NOAO）的总部也就被设立在了亚利桑那大学天文系的旁边。后来，诸多单位在山上建设了各种尺寸的望远镜，既有像Mayall 4m这样的通用型反射镜，也有像McMath-Pierce 2m这样的世界上最大的太阳望远镜，当然，还有游客中心的0.4m的业余级小镜子。时至今日，山头上应该有26个天文望远镜，从光学到射电，从白天到黑夜，周而复始地收集来自天空的各个角落的信息。

在WIYN 3.5m望远镜附近的观景台上，用这个最经典的机位，眺望漫山遍野的望远镜圆顶。

SARA 0.9米望远镜圆顶的门口摆了一只火烈鸟的模型，配合上粉色的栏杆，显得十分少女心。

日落基特峰，拍摄于Bok望远镜朝南的的平台。

我们的观测团队所使用的Bok望远镜应该是这山头上第四大的光学望远镜，由亚利桑那大学史都华天文台（Steward Observatory）运营，直径90英寸（2.3m），以史都华已故台长Bart Bok命名。项目所用的CCD相机由于位于望远镜主焦点（prime focus）上，所以叫做90prime。BASS是一个在北银冠天区内进行g和r波段巡天的项目——一道银河把整个天空划为两部分，所谓北银冠，说的就是北边的这部分天空，由于在北边，适合在北半球观测。在银冠的方向上，来自银河系的消光更小，所以相对更容易看到银河系之外的天体。至于g和r波段，可以大致认为g是green，r是red——通过记录下天体在不同的颜色范围上的亮度，可以帮助天文学家分析天体的物理性质。根据项目的科学设计，观测团队将通过叠加三次曝光的图像，使得在5000平方度的天区内，g波段极限星等达到24等，r波段达到23.4等，从而实现对北银冠河外天体的深度搜寻。

站在Spacewatch 1.8m望远镜旁边的平台上看Bok（前）和Mayall（后）。说实话，Mayall这个圆顶大的有点浪费，不过这毕竟是50年前的设计了，现在的天文圆顶已经变得紧凑了不少。

这次四月的观测项目一共为期两周，除了中间有几天遭遇了阴天和大风无法正常进行观测，其余时间都算是晴朗而由稳定的好天气。每天下午六点钟，趁着太阳还没有落下，我们就到圆顶做各式各样的观测准备——灌注液氮、拍摄用于校准图像的偏置场（Bias）、圆顶平场（DomeFlat）影像，等待昏影结束，开始每一日的观测。实际上，在望远镜进行拍摄的过程中，需要观测者操作的并不多——现成的程序已经生成好了操控望远镜的脚本，我们只需要监视屏幕上的风速湿度、望远镜指向、图像质量等几个数值，偶尔微调一下望远镜位置和曝光时间就可以。在大多数稳定的晴夜里，观测不算辛苦。

为主焦点上CCD相机的杜瓦瓶加装液氮。通过加装液氮，可以使得相机冷却，减少半导体中由于热所产生的自由电子（暗流）。

灌注液氮当中的望远镜全景

巡天观测比较有意思的是，望远镜时常能拍到一些有趣的目标，比如梅表中的星系，这些天体在大望远镜的视野中会显得异常硕大明亮；比如一些成团成簇的小星系，很明显地能看出它们应该属于一个遥远的集团当中；比如偶然拍到的亮星，观测当中有两次望远镜扫过了天玑（北斗七星当中的第三颗），在深度的曝光下，恒星的光晕可以覆盖将近百万像素的范围。最奇怪的一次我们偶然拍到了一颗流星，从东南方向穿过CCD视场中心。经过简单的计算，流星的方向与天琴座流星雨的辐射点吻合，套用这个流星群成员的典型速度，大概是一颗0.6等的流星（可能误差不小）——也不知道拍到这样一颗明亮的流星，到底是幸运呢，还是倒霉。

巡天观测时，偶然拍到的M108——著名的冲浪板星系。这张图像的曝光只有约一分钟，没有做任何改正。可以看到星系中间浓密的尘埃结构，和明亮的核球。黑色的暗条算是CCD上的一条坏线。展示软件：DS9。

一张巡天观测的影像，拍摄于约化儒略日57866日（2017年4月23日），斜着的粗线是一颗天琴座流星雨的群内流星，而细线则是一颗人造卫星。图像被分成了四块，是因为整个CCD是由四块分开的CCD马赛克拼接而成，相邻处会有接缝。

基特峰这个台址在现在的天文界已经算不上是最顶级的了。来自图森和凤凰城（Phoenix）方向的光污染与日俱增，虽听说当地有法案控制，但是文明的发展总是逐渐压缩着黑夜存在的空间，50年以来，环地平方向的光害增强了不少，相关的图像记录在游客中心的展示厅中有所显示。随着全世界天文学家选址工作的不断进展，目前国际上的三大顶级台址变成了夏威夷莫纳克亚、西班牙加纳利群岛和智利的阿塔卡玛，基特峰的重要性可以说已逐渐降低。虽然我们遇到了视宁度1.0"的良好测光夜，但是比起最顶级的台址已经有了差距（作为参考，国家天文台兴隆观测站典型的视宁度应该在2.0"左右；视宁度越小，星点在底片上的尺度越小，越容易拍摄到暗弱目标）。不过，相对于目前中国的几个光学天文台而言，这里还是相当不错的——无论是夜天光亮度、视宁度还是晴夜率，这里都更适合天文观测一些，让人不由得感叹，美国这块地方当真是得天独厚。

在一个大风夜，由于Seeing罕见地很差（差不多4"；当天焦点状况也不好），正常的科学性的观测无法按要求进行，我就借用望远镜拍摄了40秒r波段的的M104，图像只改了暗场和平场，没有做进一步的处理。

很遗憾，由于天气一直还成，我也基本没去过其他的望远镜圆顶里参观，不过这里的Outreach做的还是让人佩服的。在这里，“国立”的名号丝毫不会让人感受到威严——在白天，老百姓可以畅通无阻地自驾上山，到游客中心里打一杯咖啡，在展厅里摸一摸当时Mayall望远镜制作时留下的镜胚，跟着导游到太阳塔里面参观一下这个巧夺天工的光学设计，最后买上几张明信片或者纪念衫送给友人。当然，如果当真爱好狂热，也可以留在山上观测（stargazing），似乎只需要交上一笔不贵的管理费。游客中心的展馆虽然不大，但是把KPNO的历史和他们主要的几台镜子的原理构造讲的相当清楚，让人感觉是下了不少功夫的。让纳税人知道他们的钱做了多么伟大的事情，在这一点上，KPNO做的很不错。

展厅里卡尔·萨根的名言，每每看到这些句子都会很感动

——我们都是星尘。

基特峰上的“租客”清单

随着下弦月变成了新月，14天的观测夜很快就结束了。这算是我第一次在天文台做科学的测光观测，我不确定以后是否还会有亲手给Bok望远镜灌注液氮的机会，但希望这次告别不要太久。Bok，后会有期！

2017年5月1号 于图森

作者：孙凤梧（北大天文系）

编排：孙凤梧

责任编辑：解仁江

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