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“智汇极地”学术沙龙第26期


---南极天文与科考

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发布时间:2020-10-24 09:53:05
浏览:110 次

核心提示

中国南极天文的发展已经历经10余年,越来越多的观测证据表明,昆仑站所在的冰穹A地区,具有地球上最佳的天文观测条件。报告将回顾南极内陆科考的历程,及南极天文的最新成果。

人物介绍

商朝晖,男,中国科学院国家天文台研究员、博士生导师,中国第35次南极科考昆仑站队队长。研究领域包括南极天文学、天文台运控与数据处理、星系与活动星系核。2020730日带领团队于《Nature发表文章,确认南极冰穹A为地面最佳光学天文观测台址。

报告详情

20201023日上午9时,由武汉大学中国南极测绘研究中心举办的“智汇极地”学术沙龙第26期在中心三楼会议室以及腾讯会议成功举办,应杨元德副教授邀请,中国科学院国家天文台商朝晖研究员做客本期智汇极地,主要介绍南极内陆科考的历程以及南极天文的最新结果,中心老师和老师线下参与本次讲座。

1 报告封面

报告主要分为三个部分:一是为什么要在南极做天文?二是中国南极天文处于什么状态?三是中国第35次南极科学考察天文科考成果。

1)在南极从事天文观测的必要性

为解答为何在南极做天文,商朝晖老师从四个角度详细展开,同时也证实南极冰穹A地区是地面上最好的天文观测台址。

首先,南极有着漫长的黑夜,也就是常说的极夜,天文观测可以实现24h连续观测,而地球的其他地区由于观测不连续,总是有12h左右的数据缺失,效果不是很好,即使采取望远镜接力的方式做天文观测,但由于仪器众多、位置差异导致效率很低。另外,由于南极没有常住的居民,没有光污染。

其次,南极大气洁净稳定,空气尘埃少,光线散射小,大气透明度高,如图2-(a) 26次考察队拍摄的照片所示,竹竿背后是太阳,当挪动一下竹竿就会发现,周围没有散射光,如图2-(b)所示。大气干净还有一个好处,就是视宁度好,如图2-(c)所示,视宁度不好,观测时星星就会晃动,这主要与大气中存在的湍流有关,星星的光线经过大气时就会因为发生折射产生晃动,而视宁度好,意味着观测时星星就不会眨眼,十分稳定,对于天文观测直观重要。这也是为什么要把望远镜送上太空的重要原因之一,如图2-(d)所示,同样的望远镜、同样的天体,地面站结果就会模糊不清,而哈勃望远镜就能很清晰的看出结构。

(a)

(b)

(c)

(d)

2 为什么在南极做天文原因探析(一)

再者,南极很冷,从图3-(a)所示的猎户座观测看出,相比于可见光,红外线对猎户座观测可以看出很多的内容,这是因为天体发射的辐射不仅仅是可见光。为了避免只从可见光波段做天文观测,还需要进行红外波段观测。但由于高于绝对零度的物体都会发射红外辐射,所以在观测天体时要把背景红外辐射降低下来,降低的重要手段就是降温,而南极红外的天空很暗,就能很容易地观测到遥远的天体。

最后,南极很干燥,在整个电磁波谱中,射电亚毫米波段很容易受到大气中水汽的影响而被吸收掉,而南极大气干燥,地面就可以观测到射电亚毫米波段信息(如图3-(b)所示)。

(a)

(b)

3 为什么在南极做天文原因探析(二)

    2)中国南极天文观测的发展历程

随着中国第21次南极考察队于2005年率先抵达冰穹A,中国南极天文观测也拉开序幕。为何是在2005年开展中国南极天文,这与2004年的一篇《Nature》上发表的文章有关,文中提出南极冰穹C的视宁度中值为0.3″,而夏威夷和智利作为地球上最好的天文观测台址,仅达到0.5″。由于我国首先抵达冰穹A,而冰穹A的地理大气条件都优于冰穹C,所以为支持中国南极天文的发展,国家成立了中国南极天文中心。从中国第24次考察队开始至35次队,已有26人次参与南极天文观测。

4-(a)为中国南极天文台发展路线图。在中国第24次考察中,于昆仑站搭建了各种仪器,包括气象塔、小型天文望远镜阵CSTAR等(图4-(b))。图4-(c)简明地说明小望远镜阵CSTAR的观测结果,光变曲线上的每一个点都是一颗星星,可以看出光变曲线后半段开始是连续观测。当两颗星体十分靠近时,单纯用望远镜是看不出来的,但可以用光变曲线反映出来,如图4-(d)所示,当两颗星体不存在相互遮挡时,光变曲线位于最高值,而当白色星体遮住黄色星体时,光变曲线就会快速下跌,当黄色星体遮挡住白色星体时,下跌的更快。换言之,可以根据光变曲线研究星体的质量、运转周期等等物理性质。

 

(a)

(b)

(c)

(d)

4 中国南极天文进展及研究(中国第24次南极天文考察)

到了中国第28次考察队,又安装了两台望远镜,其中一台叫AST3(南极巡天望远镜),虽然比CSTAR望远镜的视场小一点,但这个望远镜主要做时域天文,用以研究天体的变化。另外一台是射电望远镜,如图5-(c)所示,波段是太赫兹,利用了南极大气干燥的优点。图5-(d)依次显示Dome A、南极点、智利ALMA台址进行太赫兹观测时的大气透过率,可以证明Dome A的太赫兹天文台是地面最佳台址。

(a)

(b)

(c)

(d)

5 中国南极天文进展及研究(中国第28次南极科学考察)

在光学望远镜方面,研究人员首先关注天空的黑暗程度,因为天空越黑,看到的星体就越清楚,就能看到越暗的星体。CSTAR小型望远镜观测到Dome A2008年天光亮度为20.5平方角秒,BVR波段的天光亮度与夏威夷或智利最好的台站可比(图6-(a))。第二件事是研究南极大气层的边界层厚度(图6-(b))。由于南极大气比较简单,大气层底部就是边界层,边界层内部存在许多湍流,边界层之上就是自由大气,自由大气与地面是没有能量交换的。如果边界层越低,观测就越能容易接触到自由大气,也就可以提供非常好的视宁度。在Dome A测得大气边界层厚度的中值只有13.9m,优于Dome C30m。也就是说,在Dome A安装望远镜在14m就可以避开一半的湍流,而在Dome C需要建设在30m。第三件事是建设了很高的气象塔,在不同的高度上安装温度、风速等传感器,观测发现冰穹A地表大气70%的时间存在强烈的逆温现象。一般而言,上面的大气冷,下面的大气热,所以热量就会向上传输,造成湍流。但南极大气下面冷,上面热,不存在热量交换,十分稳定(图6-(c))。如图6-(d)所示,光学台址测量也存在很多不确定的问题。一是夜间视宁度,虽然国际上已经做了十几年夜间视宁度研究,但是大气边界层的概念并不能给出定量的结论,只是和冰穹C类比,被天文界同行质疑。二是没有考虑云量和极光对观测的影响。

(a)

(b)

(c)

(d)

6 台址观测结果及存在的问题

 

时间来到中国第35次南极科学考察,昆仑站队在天文学方面的科学考察包括以下工作:①PLAT0-A维护;②AST3-2望远镜维护;③建立智能台址监测系统;④其他一些维护观测。PLAT0-A是天文场地的供电和通讯平台,现场的太阳能板、铱星通讯等都需要维护。AST3-2望远镜冬天会被积雪覆盖,不仅需要硬件的维护更新,还需要想尽办法清洁望远镜表面的霜雪。

(a)

(b)

(c)

7中国南极天文进展及研究(一)(中国第35次南极科学考察天文观测)

 

中国第35次南极科学考察天文观测的重点是建设天文台-台址监测系统,包括多层自动气象站KLAWS-2G、量极光监测仪KLCAMKL-DIMM望远镜和塔架,为确认昆仑站为有优异天文观测台址和未来天文台建设提供科学依据。

(a)

(b)

(c)

8 中国南极天文进展及研究(二)(中国第35次南极科学考察天文观测)

 

KL-DIMM在冰穹A存在很多复杂的挑战,包括无人值守、温度极低、能源和通讯有限等等。安装KL-DIMM前,在实验室进行了低温测试,在新疆慕士塔格进行了野外测试。从2019126日在昆仑站开始连续观测,观测到视宁度小于3″,如图9-(a)所示,观测得到夜间视宁度最佳达到0.13″,达到了望远镜的衍射极限,在8米的高度,视宁度峰值在0.31″,有31%的时间可以获得自由大气视宁度。第二个发现是视宁度会随着天气变化,视宁度的变化可以反映出大气中的气温、风速、风向的变化(图9-(b))。还有一个发现是视宁度与逆温相关(图9-(c))。综合以上研究,证明冰穹A有地球上最佳的(光学)观测条件,并将结果发表在《Nature》上(图9-(d))。

(a)

(b)

(c)

(d)

 

报告最后,与会的各位老师、学生与商朝晖老师进行了热烈讨论,大家都受益匪浅。至此,本期讲座圆满结束!

 

 

(编辑:丁锐  审核:郝卫峰)

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