天文科普:在地球上,那边能看到最澄彻的星空?

版权回原作者全部,天文如有侵权,科普请接洽我们

作者:纳凉(中国迷信院大年夜学)

文章来源于迷信大年夜院"大年夜众号(ID:kexuedayuan)

——

被困在城市中的地球我们,盼看仰天寻觅繁星来取得抚慰的上那时辰,看到的最澄多半是挺拔入云的大年夜厦。间或有未被遮挡的星空健身教练姜圣琳天区也往往泛开花团锦簇的光,严重的天文光污染掩盖着整片夜空。时机好一些可以看见月亮,科普而大年夜局部时辰则是地球一颗星星都看不到。

多么的上那处所一定不是不雅星的好往处,深刻的最澄天文快活喜好者们都邑对多么的地点避而远之。若想要培植新的星空天文台,人口密集区几近会被直接pass掉落(除非特别有钱)。天文除了避开城市的科普光污染,要琢磨的地球成分还有很多。我们不但要对空气透明度、大年夜气湍流、空气密度的静谧性停止评价,还要琢磨该地域每年晴明的气候若何,假设从事射电不雅测,还要统筹到周边无线电旗子暗记的搅扰水平。

综合以上琢磨,天文台的建址都是选在远离城市的偏远地域,或在不知庐山真相貌的平地里,或在只能靠望梅止渴续命的戈壁中,也能够在地白风色冷的安庆健身教练学院地址极地处。

位于智利阿塔卡玛戈壁(世界“干极”)的欧南天文台(图片来源:国度地舆)

那末,地球上有没有最好的不雅测地点呢?假设有,那又在那边呢?

冰穹A-最澄彻的星空!

近日,国际迷信期刊《自然》杂志宣布了中国迷信院国度天文台商代晖研讨员团队的一项研讨,已知证据注解,地球上的最好天文不雅测点就是位于南极大年夜陆上的冰穹A。

冰穹 A在南极大年夜陆的位置 (图片来源:wikipedia.org)

南极按地舆可被分为西北极和西南极,冰穹A的地舆位置接近西北极的中心。冰穹A之于南极相当于珠峰之于地球,它是南极洲上最高的冰盖。之所以说它是冰盖而不是山,是由于它并不像山那样直插云霄,看起来与平地无异。它的海拔为4,093 米,然则由于南极大年夜陆集团是个高海拔地域,其相对高度也只要1,639 米。

“企鹅”上岸冰穹 A -源自中国第35次南极科考义务 (图片来源 :新华社)

对我们深刻平易近众来说,想要亲身来看一看这里的星空确切是一件不太实践的事项。由于光是南极就离我们充沛迢远的了,更何况冰穹 A还深切南极本地1,200多公里,相当于从北京驾车前去上海的距离。同时,高海拔淡漠的大年夜气也会让你猬缩,稍有掉慎就会缺氧。能爱上健身教练吗还要留心的是,这里的冷冷确实让人毛骨悚然。夏季温度为-40摄氏度支配,每年的冬天,冰穹A的温度时常会低于-80摄氏 度,甚至还曾有过低达 -98 摄氏度的极端温度(而今学术界对此高温尚存争议)。除了一些人工培植的实验室,这里几近就是地球上最冷的处所。人类最冷冷的城镇是位于俄罗斯西伯利亚西南部的奥伊米亚康,最高温度是-71摄氏度,还不及冰穹A 夏季的平均温度。

人类生活最冷的城镇-奥伊米亚康 (图片来源:每日头条)

所以距离、海拔、温度这三大年夜成分(也许还有第四大年夜成分:亿点点钱)让冰穹A 优胜的不雅测状况只能为少数人见证。令人自傲年夜的是,这一尽妙的地点起首是被我们中国人访问的。15年前,也就是2005年,我国南极科考队的成员从中山站跨越了1,228公里到达了冰穹 A。

那末,这里的星空澄彻在那边呢?

这就要琢磨一个重要的可度量目的——视宁度!

为甚么大年夜炮射不中星星?

关于视宁度我先卖个关子,大年夜家来看个脑筋急转弯——为甚么大年夜炮射不中星星?先别说甚么炮弹出膛的速度达不到第二宇宙速度所以射不中星星如此,那样玩脑筋急转弯只会被气逝世……谜底信任大年夜家都不生疏了,是健身教练开课的术语由于星星会“闪”。

不过,星星可不止会“闪”罢了。地球是有大年夜气的,由内而外逐渐淡漠。迢远的星光想要被我们捕捉到就得穿过这些密度不一的空气介质。折射定律通知我们,光线经由进程的时辰还会发生偏折。要命的是,大年夜气不是像钢板一样,温度不均的空气会带来各类湍流,并且大年夜的湍流里还有小湍流,把空气搅拌得像糨糊,这团糨糊照样不时辰刻变卦的。假设我们将未被大年夜气“污染”的星空比作4 K 120帧的视频,那末我们在深刻前提下看到的就是480 p 30帧的糟心画面。

多么一来,星星不但会“闪”,还会“糊”,反响在我们看远镜中看到的效果相似下面多么子。

这是一张长时辰暴光某颗星星取得的照片,反响了在一段时辰内星星在看远镜的视野里的位置有变卦。我们日常伟大用专业看远镜也可以或许看到出而今目镜中的星星有些闲逛,那多半是你的支架不稳,提示你该加钱进级三脚架了(图片来源:维基百科词条-视宁度)

同一看远镜在不合的视宁度下看木星的比拟图,可见左边较差的健身教练借钱买东西前提下只能模糊看到条纹,大年夜红斑几近弗成见 (图片来源:britastro.org)

是的,与看远镜价钱有关,再贵、再严密的镜子也会有模糊的状况。我们用视宁度来评价这类模糊度。所谓视宁度,其迷信上的定义是描画天文不雅测的方针受大年夜气湍流的影响而看起来变得模糊和闪烁的水平的物理量。它平经常运用角度来走漏表示,角度越小解释视宁度越好,我们就能天经地义的看到更澄彻的星空。严厉来说,商量视宁度属于大年夜气迷信研讨的范围,天文研讨者们深刻虽然测数值,而很少往建树气候模型来特别剖析它。

懂得一些分辨率概念的同窗应当知道,看远镜的口径越大年夜,它的分辨率就越高,就愈能将远处两个相邻的物体分辨开来,我们看到的画面就加倍清楚。

看远镜的分辨率公式,λ指代光的波长,可见光一样深刻是300-800 nm之间,D是看远镜的直径,θ就是看远镜所能看到的最小分辨角了

如此一番算上去,那些大年夜型看远镜实际上可以到达毫角秒的分辨率(1度=3600角秒),然则由于大年夜气的感染,实际分辨率老是达不到的。而今世界上最好的看远镜集中在夏威夷和智利北部优秀的台址上,那边的视宁度一样深刻为0.6-0.8 角秒,惋惜离穷尽看远镜自身的机能照样差的很远。

面对多么的艰辛我们深刻有两条路,一条是走哈勃看远镜那样的太空路。惋惜太空路又复杂又烧钱,万一仪器出了事宜维修起来很费事,要不詹姆斯韦伯看远镜怎样而今还不上天呢。另一条路则是容身于空中,走自顺应光学这条路,来检验检验补偿大年夜气哆嗦带来的误差。不过这套从90年代运用到天文上的技艺毕竟只能做到补偿,弗成能完全消往误差,所以继续展开索求地球上最好不雅测点的义务也在道理应中了。

毕竟上,视宁度的概念离我们并不迢远,深刻天文快活喜好者们也常和它打交道。只需肆意下载一个好天钟多么的app,外面就会出现视宁度这一栏信息。圆圈越小,解释视宁度数值越小,不雅测效果越好。

软件表示的国度天文台密云站有关信息

面前的查询访问任务

南极这一与世隔尽的处所没甚么人类活动的遗迹,集团海拔高,光害小,只需能处置冷冷状况下的设备运转标题,自然是一个修建天文不雅测台址的益处所。并且在高纬度前提下,运用独有的极夜场景,可以让我们继续24小时追踪某些我们感快活喜好的天区。

这一回对冰穹A 的探测发明,这个处所视宁度最低可以到达0.13 角秒,经久测量测到的平均视宁度也为0.31 角秒,比我们以往的选址地真实好太多。在冰穹 A最优效果出来之前,一向是冰穹 C视宁度数据处于相对抢先的位置,平均数值在0.23-0.26 角秒支配。

真实良久之前学术界就猜想冰穹 A应当是地球上的最好不雅测地点了。从2005年末尾,我国科考队就踏足这一地域,完成了对冰穹 A 的查询访问,并为在此建站做了预备任务。2009年,我们在此建树了我们的第三个南极科考站-昆仑站,同时,它照样国际首个南极本地科考站,位居全部南极之巅。往后的科考队末尾陆续在此建树不雅测设备。

此次关于冰穹A的不雅测效果,还得依靠于2019年第35次科考所做的任务。商代晖研讨员担负天文这局部的事务,并布置了新的昆仑看远镜(全名为昆仑差分图象活动监视器,英文简称为 KL-DIMM)。昆仑看远镜的重要义务照样来测视宁度,可以让我们定量评价这一名于冰穹A 的昆仑站天文台址特点。

幽默的是,它并不是被直接固定在空中上,而是被放置在了8 m的高塔架上。这是由于这里的大年夜气界限层厚度低,大年夜约只要13.9 m,只需在这个高度之上,就可以幸免空中的湍流,从而取得极端优秀的视宁度。同时,塔架的架设也是极为奇异,可以也许在8 m/s 的风速下,让顶部平台的闲逛小于3 mm,要不雅测的星星就会被紧紧地限制在我们的视野里,不会再“闪没”了。

一对昆仑看远镜和塔架 (图片来源:商代晖)

和我们搭积木一样,摞得越高越随便倒。我们的塔架想要在14 m的高度下坚持静谧会比拟难,但要和近邻冰穹C 比起来,就随便多了。冰穹C 处界限层的厚度大年夜约为30 m,要想在此处到达和我们相似的不雅测效果,需要搭一个三十多米的高静谧塔架,这项任务真实又费脑筋又花钱。

此前我们一向以为冰穹A 不雅星好,然则详细好在那边还缺乏充沛的数据支撑。经由进程这一次积存的视宁度数据,结合临近一路任务的多个气候不雅测设备,让我们有充沛的因由信任冰穹 A是最好的,我们离在此培植看远镜也不远了。

随行安排的 多层自动气候站KLAWS-2G(左) 和两台 云量极光监测仪KLCAM(右箭头所指) (图片来源:商代晖)

一点点展看

在南极搭镜子确切比在太空便利很多,不过即就是前期维护便利,如此高温的状况下让人经久驻守也不实践。所以在南极尤其是冰穹A上培植新的看远镜时,一定要包管优胜的静谧性,使其可以顺应超高温任务,让我们在家中就能操控终端停止不雅测。

毕竟上,我们而今就是这么干的。昆仑看远镜的任务压根不需要有人在现场值守,它被谋划的时辰就琢磨到了在零下80度的前提下任务。至于供电方面我们也不需担忧,南极冷冷日照能量低,用太阳能面板又贵又费事,能量还不一定能知足需要,所以我们干脆就在看远镜旁放上一个充满蓄电池的集装箱,又便利又静谧。一个箱子包用一年,反正每年都邑有科考义务,到时辰直接来这换电池就好了,也不会费太多时辰。

昆仑站天文任务场地 (图片来源:国度天文台)

假设特别派人员在这里看着,物质补给是个标题,全日与冰雪为伴也确切无聊了点。毕竟,没有谁情愿一年四季都挨冻,莫非全程自动化它不喷喷鼻吗?

真实,冰穹A这个处所今后不只适宜可见光学看远镜,极端枯燥的气候状况伴跟着洁净的电磁状况,也尤其适宜射电看远镜的任务。在太赫兹波段的状况测量可以让这里的射电看远镜不雅测到更多的电磁波段......

总之,这是一块宝地,今后是少不了为我们国际的天文事业添砖加瓦的。

参考资料:

[1] Ma, B., Shang, Z., Hu, Y. et al. Night-time measurements of astronomical seeing at Dome A in Antarctica. Nature 583, 771–774 (2020).

[2] DOME A – COLDEST PLACE ON EARTH http://suo.im/5DBxbx

[3]我国天文学家证明南极冰穹A为空中最好光学天文不雅测台址—国度迷信基金委员会- http://suo.im/5DBxaJ

[4] Astronomical seeing—Wikipedia http://suo.im/5w5jIu

[5] Scambos, T. A.; Campbell, G. G.; Pope, A.; Haran, T.; Muto, A.; Lazzara, M.; Reijmer, C. H.; Van Den Broeke, M. R. (2018)




迎接扫码接洽科普师长教员!

深圳科普将按期推出

公益、收费、优惠的活动和科普好物!