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稻城:中国光学天文新中心?

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  出品:科普中国

  制作:中国科学院国家天文台 刘博洋

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  围绕中国下一代大型光学望远镜的争议纷纷扬扬,曾经困扰中国天文学界数年之久。刚刚这场争”以民主的方式做了一个了

  在今年8月就曾经引爆天文人朋友圈的一次“战役”,是计划口径12米的“大型光学-红外望远镜”(LOT)的光学设计方案之争。当时中国天文学家依其观点分裂成两派:一派主张采用更加“独创”、有很多优良特性但被批评者认为风险难以承受、有一些固有缺陷的“”方案;另一派主张采用更为成熟、经典、在国际上广为接受的“”方案。(详见本专栏此前报道《中国的12米大口径大望远镜之争,争的是什么?》,技术讨论请见“大型光学-红外望远镜科学共同之声”网站)

  

  争议白热化期间,一些青年天文人发出的一封公开信(局部截图)

  双方一阵罕见的公开的口诛笔伐、隔空论战之后,又同时偃旗息鼓,让争议重新转入幕后。此后偶有小道消息传出,但争议解决的具体进展并不明朗。

  时间接近年终,有人预言的“天文圈内耗恐将导致项目流产”眼看就要发生。

  直到12月20日,多个信源同时报告,中国天文学家以一场高规格的投票表决做出了断。据悉这次表决由中科院主管部门建议实施,由国家天文台出面组织。参与表决的专家共有约50人,经正研究员以上级别的中国天文学家推选产生,囊括大部分中国天文学会理事及一些青年学术新星。

  表决过程难窥其详,结果直截了当:方案以26:21

  如果投票结论有效,中国天文学界可说是成功排除一枚地雷。

  实际上,同时排除的还有另一枚潜在破坏力更为巨大的炸弹:这架大望远镜的选址难题。

  我国目前最大的光学天文基地是位于河北承德兴隆县燕山之巅的国家天文台兴隆观测基地,它的选址始于上世纪60年代;改革开放后十年,这里成为我国前任最大光学望远镜2.16米望远镜的安身之处;十年前,这里又落成了世界上光谱获取效率最高的郭守敬望远镜(LAMOST)。然而,兴隆基地处在北京、天津、承德、兴隆县城、附近矿区乃至山脚下一个小小村落光污染的包夹中,近年来随着城市大举发展和霾的泛观测环境已日益。LAMOST 望远镜的表现低于预期,台址状况的恶化占了很大一部分因素。

  

  兴隆站周边光污染蔓延形势严峻。截图来自 lightpollutionmap.info 网站

  中国西部拥有广袤的高原,中国天文学家长久以来期待能在青藏高原的绵绵群峰中,找到那么一座可以比肩夏威夷莫纳克亚、智利阿塔卡马的世界级天文台址。从2003年开始,国家天文台开始西部天文选址项目。在2010年前,选址组在物玛、卡拉苏等站点布置了气象、视宁度等监测设备(视宁度是天文学中用以衡量大气稳定程度的指标)。其中阿里地区东部的物玛站曾一度以其优越的气象条件备受青睐,只是这里“方圆几百里内没有人烟”,无法提供天文台运作必需的后勤补给能力。

  随着2010年西藏阿里泉河附近昆莎机的通航,基础设施的便利性让狮泉河与阿里机的一片山而出,成西部天文址中最受瞩目的目一系列小望远镜先行落户在这里,尚在监测中的“阿里址点”逐步形成了一个初具规模的天文台,也即所谓“阿里站”(巧合的是,印度天文台就在距此111公里的一境之隔)。2012年,东亚核心天文台协会(中、日、韩三国主要天文研究机构组成)宣布,阿里地区西南部将成为东亚各国联合建设世界级天文观测台站的候选地区。国家天文台西部选址组组长姚永强甚至被吸收进入中共阿里地委任副书记,足见当地对阿里天文台发展前景的看好。

  

  本文提及的主要选址点位置(底图来自谷歌地图)

  但选址工作并不能被认为已经大功告成:受地形影响,即使是邻近的同一片区域内,不同山头之间的视宁度也可能相差一倍以上。而找到最合适的那个山头,仍然需要持续的实测数据积累。

  正是阿里站的肋。

  由于海拔5100米的阿里站条件极其艰苦,虽然国家天文台选址组在不晚于2010年就开始在这里布设监测设备,但在很长的一段时间内,没能连续积累观测数据。一篇2016年底发表的文献指出,当时阿里站仅有27天的视宁度实测数据积累,远远达不到确认选址的最低要求。

  如果这一情况得不到立即的改善,无论三镜、四镜,整个大望远镜项目都不得不因为台址问题而延迟甚至流产——便是潜在水下的望远镜选问题认为更加危的原因

  其实在8月份光学设计方案争议热烈之时,就已经有天文学者提出,不妨先缓建大望远镜,等光学方案比较测试和选址数据积累两方面取得更多进展后再做打算——“等五年不要紧,比盲目上马耽误一代人要强”。

  让事情有转圜机会的,是另一个名不见经传的团队。

  原来,从事西部天文选址的,不只有国家天文台西部选址组这一支队伍。隶属于国家天文台的云南天文台,也有自己的一支选址团队。

  太阳观测一直是云南天文台的一个招牌研究领域。2015年,云南天文台在抚仙湖太阳观测站建成的“一米新真空太阳望远镜”,跻身国际三大前沿太阳观测系统之一。但云台还有一个脑洞惊人的太阳望远镜计划:为了在有限预算下建造尽可能大口径的太阳望远镜,有人提出可以建造一座大口径圆环形镜面望远镜——镜面中间留个大洞,成本就下来了。这个计划口径达到8米、宽1米的巨大环形镜面,被命名为“中国巨型太阳望远镜”(CGST)。

  而这个大望远镜,也需要找一个优秀的台址。

  云南天文台CGST选址组负责人刘煜向本专栏介绍,CGST的选址工作从2009年底开始,也曾在阿里、纳木错等位于西藏的候选台址建站测量;2011年秋,刘煜团队首次进入川西的稻城地区;2013年7月之后他们将这里选为CGST选址的主攻方向。

  “后来国台领导说,既然稻城白天视宁度那么好,晚上也不会差的,你们测测试试”,刘煜借来视宁度监测仪一测,果然很好,稻城这才也被列入LOT侯选台址。

  

  稻城县无名山2号址点(图:刘煜)

  刘煜团队在稻城县城西北25公里的桑堆乡旁边的“无名山”设置了两处选址监测点,从2014年10月开始监测。无名山址点海拔超过4800米,比起阿里不遑多让,工作环境也非常艰苦,“我们除了自己人蹲守,还聘了六七个当地藏族居民天天晚上守着,才顶下来的”。

  ,就是三年。

  

  无名山选址点墙上的标语(图:辛玉新)

  虽然理想情况下,天文选址最好有5年甚至更长时间的连续监测数据积累,稻城也还没有达到;但相比于截至2017年末也只有一年视宁度连续监测数据的阿里站,稻城在数据积累方面占据了优势。

  很明显,稻城不是完美的。它最大的问题是,每年夏季受西南吹来的印度洋暖湿气流影响,有两三个月的雨季。这让它在与阿里对比晴夜率和水汽含量数据时不占优势。

  “天文望远镜是透大气看天空的,因此天文台址的选择倒一切的条件是晴夜的数量,然后可能一步晴夜天空的”,国家天文台邓李才研究员评价道。这位从事光学观测的天文学家也曾在青海德令哈为自己的一台小望远镜选址,经过几年艰苦的测量,得出了那里虽能满足项目科学目标的要求,但仍不是一个理想的光学台址的结论。

  另一方面,天文台不是真空中的球形鸡,它的建设不能摆脱两样最根本的因素:人和钱。如果天文台建设运行人员不能健康有效的工作、如果天文台建设所需经费过高,再理想的天文、气象条件也难以得到利用。

  这是稻城再度显示优势的地方:预计2020年建成的549国道将连接无名山脚下的桑堆乡和42公里外的乡城县香巴拉镇,这条公路将把无名山与这处海拔仅有2800米的主要居民点的车程压缩到1个小时之内——低海拔的后勤补给基地是高海拔科学台站持的重要支撑

  

  稻城无名山与周边城镇位置示意图(吴宁、刘煜、赵红梅 2016)

  出于类似的考虑,中科院高能所“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO)、国家空间中心的“圆环阵太阳风射电成像望远镜”均已选择落户稻城。这些大科学装置还可以通过共用基础设施互相支持。

  相比之下,阿里地区整体海拔较高,山势起伏不大,附近主要的居民点狮泉河镇海拔仍在4000米以上。

  矛盾的是,越是后勤补给便利、适合人居的地方,一般来说居民越多、经济也越发达,也就越容易产生天文观测严重厌恶的光污染。所以天文学家往往希望找到基础设施便利,却人烟稀少、经济发展缓慢的地方;相反的,地方政府往往希望靠天文科研事业和星空旅游拉动地方经济。天文台址的定、展乃至最终废弃的程,是在些不同利益纠结地相克相生之中

  好在目前阿里和稻城两地政府都在积极与天文学家合作,寻求共赢的解决方案:2014年,同时起到保护天文台夜天光环境和吸引游客作用的阿里暗夜公园挂牌成立;稻城县政府也已开始着手准备对城市灯光进行管制。

  终递到投票家面前的,是阿里、稻城、慕士塔格三个选项。慕士塔格址点位于中塔边境附近的慕士塔格峰附近,距姚永强团队最初考察时设立的卡拉苏址点不远。

  

  *据了解,慕士塔格的视宁度数据还在进一步核实确认中

  这三个选项都是优秀的天文台址。相比之下,阿里和慕士塔格在天文观测的气象条件上略一筹,稻城在监测数据连续积时长和后勤补给条件方面占。另外,稻城的纬度比另两个站偏南一些,有助于观测更大范围的天区,这也是它的一个优势。*据了解,慕士塔格的视宁度数据还在进一步核实确认中

  据信源透露,在第一轮投票中,稻城拿到19票位居首位,慕士塔格和阿里分别拿到17票和10票。阿里站被淘汰后,第二轮投票中,稻城以23票22票的微弱优势胜

  “获胜”的刘煜没有沾沾自喜:“这次投票结果只是从现实角度,阿里暂时被放在后面,如果以后条件成熟,阿里依然没问题。从天文观测角度,我也喜欢阿里。”“阿里肯定不会被大家放弃的,其他大望远镜仍然可以放在那里的。”

  据了解,阿里站已经建成的址点附近还有一处海拔4600米的新址点,也在接受监测。

  “总算看到中国大光学望远镜 LOT 项目在停止不前数月后又开始前行!憾仍在,但必须负重前行,同志更需努力!不管三,有胜过无!无任稻城阿里,西”北大天文学系前系主任吴学兵在微博上总结道。

  (完)

  参考资料

  吴宁、刘煜、赵红梅 2016年11月《天文学报》第57卷第6期《川西无名山天文址点GIS分析研究》

  国家天文台西部天文选址组网站 http://sitesurvey.bao.ac.cn/

  大型光学-红外望远镜科学共同之声网站 https://lot-community-voice.github.io

  上官晋沂等,2017年8月7日《青年天文工作者就大型光学红外望远镜设计方案的公开信》

  Sasaki et al. 2015, PKAS, 30, 699 Weather Characteristics At Observatory Candidate Sites In West Tibet

  法国国际广播电台2013年7月13日《国际天文学联合会:西藏阿里将建大型天文台》

  中国共产党阿里地区委员会网站2017年2月5日《中共阿里地区委员会》

  甘孜新闻网2016年9月8日《甘孜州全面打响第三轮交通大会战》

  中国统计出版社,《中国2010年人口普查资料》

  其余数据、资料来自匿名信源或采访。

  果壳科学人编辑水白羊对本文亦有贡献。

  

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