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世界一流天文观测点,为何是冷湖?

青海冷湖赛什腾山4200米标高选址点的全夜星轨,由约100幅全天相机监控图像合成转换而来 | 作者供图
 
编者按
 
2021年8月19日凌晨,《自然》杂志在线刊发了国家天文台创新团组首席研究员邓李才团队的最新发现,位于青藏高原上的“冷湖”,有一个高质量的天文观测点,其光学观测条件可与国际公认的最佳天文台址比肩。
 
达到没有人到达过的山峰,走过没有人走过的山路。在这篇文章里,邓李才研究员回顾了中国天文学家如何用科学、热诚与坚持,在荒凉贫瘠的西北大地上,找到冷湖这一极佳的天文台选址,开启中国地基天文观测新的一页。
 
撰文 | 邓李才(国家天文台创新团组首席研究员)
 
责编 | 韩越扬 吕浩然
 
什么是冷湖?
 
冷湖是一个富有传奇色彩的地方。
 
在中国辽阔的版图上,胡焕庸先生1935年画过一条直线,连接黑龙江的瑷珲和云南的腾冲。这是一条人文与自然地理的分界线,其东南是人口繁盛的广袤沃土,而西北则是洪荒贫瘠的茫茫戈壁——这就是著名的 “胡焕庸线”。自然的造化不仅催生了这条线东南的华夏文明,也在西北的疆域上烘托出地球的第三极——青藏高原。
冷湖镇区鸟瞰(无人机) | 作者供图
胡焕庸线(红色直线)示意图 | 地图来自:自然资源部标准地图服务
 
中国有四大无人区,分别是藏北的羌塘、青海西部的可可西里、阿尔金山,以及新疆的罗布泊地区,它们几乎首尾相连。在这片巨大的无人区中部、青藏高原的北沿,有一个小镇,这就是冷湖。
 
传说当年地质队来此考察,在当金山南麓发现了一个无名湖泊,水至冷,就直呼其为 “冷湖”,这就是 “冷湖” 地名的由来,就连其蒙语名字 “奎屯淖尔” 也是由汉语转译而来。当初的地质勘查发现了石油,把这块冷地直接带热。这里有完全由中国人探明、设计和开采的第一口油井——地中四井。冷湖石油会战发生在上世纪六七十年代,期间冷湖地区聚集了石油大军和相关支撑行业的超10万人口,一时成了名副其实的 “大城市”,并一直风光到上世纪九十年代。
 
然而,石油资源的枯竭终止了无人区的喧嚣,冷湖再度回到几乎无人的状态。石油会战后的城邦遗址,不仅记录了当时的创业精神,也给冷湖留下了一份壮观的遗产:冷湖石油城废墟。网上有大量关于冷湖石油废墟的介绍和精彩,有兴趣的读者不妨自行搜索了解。
原冷湖油田5号基地废墟(无人机) | 杨帆供图
 
无人区不太适合人类生存,但自然造物必有其存在的理由。简单总结一下:这里既有丰富的矿产资源,也有世界上最壮观的类火星地貌和风蚀雅丹自然景观。对天文学家而言,尤其重要的是:这里强烈的日照和优质的星空。我个人认为:对一个酷爱自然景观的人而言,这个地球上至少有两个方便到达的今生必去之所:智利的巴塔哥尼亚和中国的冷湖!
 
碰巧的是,这两个地方都跟天文有关。智利北部阿塔卡马沙漠作为地面天文观测的乐园早已为地球人所熟知。而冷湖是什么?有什么?特别是跟天文有什么关系?知道答案的人却寥寥。今天,我就和大家说说 “冷湖” 与天文相关的那些事。这事到今天也就是刚刚开了个头,未来还有很多大事会陆续发生,但只这开局就已经十足精彩了。
 
找寻一片纯净的天空
 
在天文学家的眼中,青藏高原具有特殊的意义。任何地基的天文观测都需要透过地球大气获取数据,越高的地方大气越稀薄,因此高海拔对地基天文观测是有利的基础要素。当然,对天文台的选址而言,还有其它更为重要的因素。然而,要在青藏高原地区去找寻一个优良的天文台址并非易事,因为各种原因,特别是经济条件和现实工程技术的限制,过去很长一段时间内全世界天文学家只能对青藏高原心怀期冀,中国的天文人更是如此。
 
随着国家经济的腾飞,这份期冀终于可以实现。中国的天文学家2000年开始了西部天文选址,也就是在胡焕庸线以西以北,在那些极端不适合人类生存的高原上,开始了脚踏实地的野外作业。其实,对于青藏高原具有优良天文观测条件这个事情,学界早已从对地面气象资料、卫星观测数据的分析中了解了大概:这些潜在的资源大致分布于青藏高原周边。
 
之前业界通常认为,最具潜质的是西藏的阿里地区和新-藏交界的帕米尔高原地区。冷湖也很早进入了天文选址的范围,因为这里除了夜空晴朗和日照充沛之外,还具有比上述地区更为优越的交通便利和区域安全。但冷湖地区存在大面积的风蚀地貌,且比邻塔克拉玛干沙漠,对风沙的担忧使得前人将这个地区排除在了潜在天文台址的队列之外。但是,这个结论是在没有人实际到达的时代预估的。要知道,未来大型、超大型的天文观测装置的运输问题、安全问题,都可能会成为天文台址选址的决定性因素。
 
我们团队自2009年开始就在青海海西的德令哈观测站工作,也了解了冷湖跟天文台址相关的信息,但一直无缘前往一探究竟,毕竟新址勘选在那时还不是我们的任务。但机遇有时候就是会主动来敲门!一方面,德令哈开始大幅亮化,我承担的科研项目所需的工作环境遭遇不可逆转的破坏;另一方面,冷湖地方政府找上门来寻求合作,希望能够利用星空资源做地区经济的转型开发。这是2017年7月的事情,而且地方政府承诺冷湖全域为天文研究做暗夜保护(后来通过地方立法确认)!
 
2017年10月,应前冷湖行委的邀请,我们团队来到了冷湖,并逐一排查了行委事先为我们踏勘过的几个可能的地方。镇东部的赛什腾山成了我们首选目标。这是天文学家以选址为目的第一次来到冷湖,基本就是巡山。越野车队一路坎坷,把我们送到山脚,正好入夜。第一眼看到的星空就那么打眼!这山给我的第一印象就是:我们可能找到目标了!
赛什腾首次踏勘实景,由24幅手机照片拼接 | 作者供图
 
冷湖是否适合天文台址建设,首先需要解决的是沙尘问题。常识和科学都告诉我们,沙尘是随高程呈指数下降分布的。如果在这片晴朗少云的区域内存在高山,而且短距离内高程差足够大(这也是优秀台址的决定因素之一),沙尘的问题是有解的。
 
冷湖沙尘与台址的矛盾,需要科学的数据验证。为此我们购置了基于直接计数单位体积颗粒数原理的粉尘仪,对台址C点的颗粒物和气溶胶进行了长期监测,结果是令人鼓舞的。至少柴达木地区内肆虐的风沙对4000米以上的地区没有影响。冷湖的PM10指数通常只有个位数。PM10指数大于100微克每立方米的事件频度仅为2次/年,指数30-50的频度大概30次,而这是我国优质天气的标准。而且,身处台址可以直观感受到沙尘随高度的分布变化。通常在盆地沙尘暴时,从C点可以清楚地看到沙尘顶部与蓝天的明显分界线。
浮尘中的柴达木盆地远眺,拍摄于赛什腾4200米标高选址点 | 何飞供图
 
2018年2月16日,海西州政府州长主持会议,政府所有相关部门领导参加,启动冷湖天文选址项目。海西州提供全部选址经费,并委托我们项目组执行。同时政府决定由州财政支持,从山下修一条砂石路至选址点。这里必须为海西州政府的支持点赞!在我们看来,这是政府对地方民生的担当,也是对国家战略发展的担当。
 
这之前,我们通过遥感资料,对冷湖东部50公里处的一座独立的小山脉做了一点功课。也开车到达了山脚下的台地,对山形有了初步的了解。这座山的西半部分,存在4500米左右的山峰。苦于山高无路,我们暂时在山下台地开始气象、云量和夜天光背景的监测。静候砂石路修达目标点。后来我们才知道,在这样的花岗岩实体的山修路,需要一年甚至更长的时间。那时可以说,我们心里的阴影面积直追1.78万平方公里(冷湖辖区总面积)。
赛什腾山寻路之旅,红色箭头为安全的攀登方向。作者与冷湖行委副主任田才让(右)| 作者供图(手机定时拍摄)
 
2018年5月,我们迎来了一个绝佳的考察机会。海西州政府租赁的警用直升机来到了冷湖,并愿意带我们上山实地考察!我们搭乘直升机第一次到达山顶,降落在现在正在建设的C点上。我没有放过这难得的去最高峰看看的机会,于是我和时任冷湖行委副主任田才让、道路设计公司老总唐兆春一起,攀登并详查了局部最高峰A点和B点,并确定海拔略低但相对平坦的C点作为选址监测的目标点。
 
我们当时是热情上头,后来被专业人员训导,才知道我们那样的无保护攀登几乎就是在玩命。但是,这是一次决定性的实地考察,意义深远,值得付出代价。顺便说一下,我们当时落在山峰上的每一个脚印都是人类的第一次!海西州政府为了保障选址顺利开展,后来投入巨资把基础数据测量需要的设备和基建材料用直升机吊运上山。
 
运行与维护选址设备的工作,就没有那么轻松了。2019年7月,砂石路终于全线贯通至C点。这之前,选址团队人员只能靠双腿攀登。每次我们必须面对六公里长的路程和近1000米的高差,常常每人需要背负10公斤以上的给养和物料去往4200米的选址点。这样的攀登我们每个人经历了几十次吧。这种攀登没有路,只有我们标记的方向(上图中红色箭头)。回想起来,那真是对体力和意志的磨练,靠的是心中目标的支撑!
(上)海西州租用直升机调运基建物料,作者供图;(下)作者、冷湖行委副主任田才让和道路设计单位工程技术人员首次实地考察赛什腾最高点 | 海西州摄影协会主席乌席勒供图(无人机)
 
去过青藏高原深度观光的人有一个共同的感受就是:视觉在天堂,身体在炼狱!赛什腾台址质量监测数据有多么令人兴奋,赛什腾山给人的观感有多么雄壮巍峨,获取数据的历程就有多么履险蹈难!这大概是在青藏高原选址同行们的共同体验吧。这种体会难以言表,直接上图!
(左上)作者(左)、杨帆(中)和田才让(右)登山出发前留影,作者供图(三脚架自拍);(右上)作者在登山途中,田才让供图;(下)终于在夜幕降临前抵达山顶临时基地 | 作者供图
 
这里是通往宇宙的大门
 
这里是赛什腾!
 
赛什腾山的山体东西延伸,东部到了马海。那里曾经有地质队八名女队员失踪长眠戈壁,留下的 “南八仙” 的传说。西部截止到冷湖镇边沿,整个山体是从柴达木平缓的盆地底部突然升起。赛什腾为蒙语发音,意为 “突兀” 或 “觉醒”,对于天文台址而言也是寓意深长。
 
站在4200米海拔的C点向南瞭望,柴达木盆地辽阔的雅丹荒原一览无余。在最高峰A点,甚至可以把北面的当金山雪峰和远处祁连山主峰团结峰群一眼看尽。从山巅到盆地边缘的国道直线距离仅为20公里,却有1500米的相对高差。正是这个高程差,使得赛什腾山群峰脱离了从柴达木盆地掠过的风沙和分层的静态浮尘。即便是在风沙肆虐的季节,山顶的天依然湛蓝清透。
赛什腾夕阳中的日照金山。图中央的建筑为两台小型望远镜的观测楼 | 作者供图
 
经过历时3年的连续监测,我们获得了关于赛什腾山台址区域的各种参数,包括气象、天光背景、晴夜数量和天文大气总视宁度(DIMM测量)的大量数据。同时,借助有限几次气象探空实验和标准模型,我们推得了典型季节的大气湍流廓线和可沉降水汽。新天文台址的勘选,特别看重监测数据的长期性和连续性,尤其是在实际选址地的定点观测数据。
 
天文设施,尤其是大科学装置具备对科学普及和文化旅游活动的巨大牵引力,天文台址的选择往往牵涉到项目承担单位和地方的潜在经济利益。但是,天文选址纯科学研究的属性需要以科学的方式进行,否则会受各种利益的掣肘。
 
对于冷湖的天文选址工作,我们项目组一直秉承一个原则:选址活动要有足够的公众知晓度;对业界而言,需要通过透明的方式为关注此事的学者提供了解台址真实性质的渠道。为此,冷湖天文选址的所有监测活动都一直保持开放。我们所有监测设备的信息、运行日志(尤其是Duty cycle, Downtime)和所有设备采集的原始数据都在第一时间公布于一个无限制的网站上。选址团队与公众对选址数据的访问有同等地位。
 
限于网站访问流量瓶颈,全天相机图像需要联系管理员以获得下载方式。为方便有兴趣同行的访问,我们的网站也提供基于原始数据的各个主要台址参数的统计图。为避免误导,对数据对应的台址参数,网站设置刻意不提供文字解读,欢迎学者自行分析评价,但请尊重选址团队的艰辛努力,用数据开展研究工作需征询选址团队的意见。
 
网站的地址为:
 
http://lenghu.china-vo.org
 
(感谢中国虚拟天文台提供服务)
由2020年春分和秋分的全天相机夜间监控照片合成的24小时星轨图 | 作者供图
 
为方便大家初步了解冷湖赛什腾台址,我们把主要的统计性质在这里做简要陈述。冷湖台址区域的优质晴夜时间(天文上的测光夜)占比达70%,外加大约15%的部分有云的光谱观测时间,每年天文观测可用的时间达300天。冷湖地区属极度干旱地区。有研究显示,在过去60年中,冷湖的年平均降水量仅为12毫米,但蒸发量却高达3000毫米以上。我们的分析印证了历史资料的统计结论,夜间可沉降水汽柱密度在2毫米以下的时间占比优于美国的 Mauna Kea天文台(54%),远优于智利和其它地区的大型光学天文台。
 
温度方面,根据赛什腾山C区的实际测量,夜间台址点气温起伏(峰谷差)中位值仅为2.5度,这意味着地面层的大气非常稳定。该区域的风以西北方向为主导,风速的中位值小于5米/秒。
 
对天文观测而言,光学视宁度无疑是最受关注的台址参数。光学视宁度的积分量,即总视宁度一般用DIMM获得。全自动的DIMM测量会受到天气条件的影响,比如有薄云通过望远镜视场,所采用的探测器在某些情况下会误采热点等等。截至当前,赛什腾C点的DIMM视宁度直接统计的中位值为0.79角秒。在剔除热点和天气影响后,截至2020年12月31日的DIMM视宁度中位值为0.75角秒。
 
感谢全国各天文研究单位的同行、关注冷湖发展的天文爱好者和各方人士的共同关心,在今天的赛什腾山上,已有若干科学级天文望远镜与青海省地方政府签约落户。国家天文台、紫金山天文台、地质与地球物理研究所、中国科技大学、南京大学、西华师范大学的项目已经处于基础建设阶段。
 
其中,西华师范大学与国家天文台合作的50厘米双筒望远镜(50BiN)已率先开始工作。在2020年12月19日,赛什腾山的天文基地实现了 “初光”!彼时正逢一个优质的观测夜,第一幅科学图像上恒星的半高全宽为0.68角秒,同时的DIMM值为0.60角秒。经多次观测证实,50BiN的天文观测图像与DIMM视宁度完全吻合(50BiN为全开放圆顶,可以完全兑现自然总视宁度)。
 
随着国内天文研究机构各种逼近世界最大口径的望远镜的研制和落户,冷湖赛什腾山正在成为中国光学天文的乐土,国际天文界对青藏高原台址的期冀正在逐步变成现实。
2020年4月13日全天相机监控照片的投影转换,完整的银河拱门与赛什腾主峰相互映衬 | 作者供图
 
简而言之,在这片 “天文沃土” 上,未来已来,冷湖不冷!
 
注:原文于2021年7月27日首发于微信公众号“赛先生”,原标题为“这里是冷湖!|赛先生天文”,《知识分子》获授权转载。



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