“坐地日行八萬里，巡天遙看一千河?！?/p>
一直以來，浩瀚的星空都寄托著人類無限的遐想，隨著天文學(xué)的進(jìn)步，天文觀測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展。
2021年12月25日，哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者，韋布望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射升空，它將接替“前任”的工作，繼續(xù)擔(dān)任“宇宙之眼”的工作。與此同時(shí)，我國的太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃也在緊鑼密鼓的籌備中，預(yù)計(jì)到2024年，中國也將發(fā)射自己的“哈勃望遠(yuǎn)鏡”——巡天望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)一步推動(dòng)深空探測(cè)的發(fā)展。
韋布望遠(yuǎn)鏡
其實(shí)，除了太空望遠(yuǎn)鏡，地面上的天文觀測(cè)場(chǎng)所也是人類了解宇宙的重要途徑，今天就讓我們一起來看一下，觀測(cè)星空時(shí)需要知道的那些事吧。
人類仰望星空的歷史
在古代，人們進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí)，由于沒有輔助工具，只能通過肉眼進(jìn)行觀測(cè)，因此出現(xiàn)了大量像我國瑯琊臺(tái)、陶寺，兩河流域的月神臺(tái)這樣，位置好，視野開闊的“觀星臺(tái)”。
中國古代觀星臺(tái)
1608年，荷蘭眼鏡商人李波爾賽偶然發(fā)現(xiàn)兩塊鏡片疊加能夠看清遠(yuǎn)方，并制作出人類歷史上第一架望遠(yuǎn)鏡。
伽利略受此啟發(fā)，于1609年發(fā)明了一種以凸透鏡為物鏡，凹透鏡為目鏡的光學(xué)系統(tǒng)，被稱為伽利略式望遠(yuǎn)鏡。伽利略利用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造了大量天文觀測(cè)成果，發(fā)現(xiàn)了月面大量的環(huán)形山，繪制了歷史上第一幅月面草圖；發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星；觀測(cè)到了土星的“光環(huán)”……天文學(xué)從此進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡時(shí)代。
隨著技術(shù)的發(fā)展，望遠(yuǎn)鏡的各種缺陷在被不斷修正的同時(shí)，其本身也在朝著大型化、巨型化的方向發(fā)展。1938年，人們捕捉到來自銀河中心方向的天體的無線電波，天文觀測(cè)中又一重要成員，射電望遠(yuǎn)鏡由此誕生。
射電望遠(yuǎn)鏡是用來觀測(cè)和研究來自天體射電波的基本設(shè)備，與熟知的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同的是，射電望遠(yuǎn)鏡并沒有光學(xué)鏡頭，它由天線和接收系統(tǒng)構(gòu)成，天線就好比射電望遠(yuǎn)鏡的眼睛，用來收集宇宙中微弱的無線電信號(hào)，再經(jīng)過接受系統(tǒng)將信號(hào)放大，最終從噪音中分離出有用的信號(hào)供科學(xué)家研究。500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST）的建成，更是意味著我國射電天文學(xué)已經(jīng)走向世界前沿。
FAST天眼
“看星星”的地方有講究
就拿上文提到的世界上最大的“天眼”來說，F(xiàn)AST建于貴州省平塘縣，之所以選擇這個(gè)地方，也是在全國范圍內(nèi)經(jīng)過層層選拔的。首先建造地內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)、水文情況、長(zhǎng)短軸比例、挖填方率是否合適；圈梁合攏情況、幾何形狀是否達(dá)標(biāo)；整體的地質(zhì)災(zāi)害、地震風(fēng)險(xiǎn)、氣象條件、無線電環(huán)境等都是選址要考慮的范疇。
FAST位于喀斯特地貌區(qū)，巖石透水性強(qiáng)，有利于地表水向下滲透，利于整體的排水，而且此地人口稀少，周圍高山環(huán)繞，能夠有效屏蔽周圍的無線電磁波干擾。這些要求也是射電望遠(yuǎn)鏡選址時(shí)需要綜合考慮的方面。
2021年12月19日拍攝的“中國天眼”全景
（維護(hù)保養(yǎng)期間攝，無人機(jī)照片）新華社記者歐東衢 攝
當(dāng)然，不止是射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)于選址的要求如此苛刻，基地光學(xué)天文的選址同樣也非常嚴(yán)格。
首先需要被納入考慮的是氣象因素，云量的多少直接影響到觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短，而大氣的吸收也會(huì)使星光減弱，除此之外，大氣溫度和密度起伏引起的折射率變化都會(huì)影響圖像質(zhì)量。因此天文觀測(cè)的地點(diǎn)需要干燥少雨，大氣稀薄，最好還能“寸草不生”，避免植物蒸騰作用產(chǎn)生的水汽對(duì)天文觀測(cè)質(zhì)量造成影響。
其次，人造光源帶來的光污染會(huì)使夜天光增亮，空氣中的煙霧、粉塵會(huì)增加大氣吸收，無線電發(fā)射臺(tái)發(fā)出的電波還會(huì)對(duì)射電觀測(cè)產(chǎn)生影響，因此，天文觀測(cè)最好能夠避開人口密集區(qū)域。
說到專業(yè)天文臺(tái)的選址標(biāo)準(zhǔn)，還有兩個(gè)概念，是我們必須了解：大氣湍流和視寧度。
大氣湍流是一種大氣不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，湍流每一點(diǎn)上的流動(dòng)速度、壓強(qiáng)、溫度等物理特性都在不斷地發(fā)生變化。在天文學(xué)中，大氣溫度或大氣密度隨機(jī)起伏會(huì)引發(fā)折射率場(chǎng)湍動(dòng)，這些改變都會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)成像系統(tǒng)的觀測(cè)質(zhì)量，因此大氣湍流對(duì)天文學(xué)家而言是一項(xiàng)至關(guān)重要的指標(biāo)，也是天文臺(tái)建設(shè)過程中一項(xiàng)至關(guān)重要的基礎(chǔ)性工作。
大氣湍流強(qiáng)度概述圖
大氣的湍流活動(dòng)強(qiáng)度會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡顯示圖像的清晰度，而用來描述天文觀測(cè)目標(biāo)在大氣湍流的影響下看起來變得模糊和閃爍程度的物理量，就是視寧度。視寧度小的地方，不僅更容易捕捉到高質(zhì)量的天文圖像，還能有效降低天文觀測(cè)成本。
因此，我國的天文臺(tái)在選址時(shí)需要將氣象，晴夜占比，天文大氣視寧度，天光背景等一系列檢測(cè)指標(biāo)考慮在內(nèi)。例如我國著名的紫金山天文臺(tái)，就選址在南京市玄武區(qū)紫金山上，那里云量相對(duì)較小，溫度低，空氣稀薄、清新，能夠在一定程度上避免環(huán)境因素對(duì)觀測(cè)效果的影響，滿足觀測(cè)需求。而位于青海冷湖，賽什騰山上的冷湖天文觀測(cè)基地，更是被譽(yù)為“擁有整個(gè)歐亞大陸上最澄澈的星空”。
M87中心黑洞
而舉世矚目的黑洞照片誕生，其中也有上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡和新疆南山25米射電望遠(yuǎn)鏡協(xié)同觀測(cè)的功勞。
在地球上最冷的地方看星星
探索的腳步永不停止！2009年，我國在南極冰穹A地區(qū)選址并建成的天文臺(tái)昆侖站，在選址時(shí)就充分考慮了大氣湍流和視寧度兩項(xiàng)指標(biāo)。而南極冰穹A地區(qū)的大氣湍流主要在近地表的邊界層，而之上的自由大氣非常穩(wěn)定，因此具有良好的視寧度。
南極冰穹A地區(qū)昆侖站
2020年發(fā)表于著名國際學(xué)術(shù)期刊《自然》第583卷上的研究成果表示，昆侖站坐在的南極冰穹A地區(qū)，光學(xué)天文觀測(cè)條件優(yōu)于已知的其他任何地面臺(tái)址，為我國進(jìn)一步開展南極天文研究奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
就這樣，中國的天文學(xué)家們?cè)诘厍蜃詈涞拇箨懮?，發(fā)現(xiàn)了最澄澈的星空，這一成果也必將在人類探索星空的歷史上留下濃墨重彩的一筆。
大家記憶中最明亮的星空是在哪里看到的呢？又有著怎樣的一段故事呢？一起來評(píng)論區(qū)留言吧~讓胖科和大家一起看看這浩瀚無垠的宇宙到底有著怎樣的魅力吧！
創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：中國科學(xué)技術(shù)館新媒體團(tuán)隊(duì)
審核專家：魯暘筱懿 行星物理學(xué)博士
由科普中國重新排版編輯內(nèi)容來自：中國數(shù)字科技館
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