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2014-8-5

浅谈现代天文台的选址

归档于: 天文空间科学, 仪器设备 @ 9:30 pm

前些日子在天之文论坛上跟若干爱好者争论现代天文台的选址问题,期间不止一人反复强调有了遥控技术,只需考虑天气条件即可,什么后勤保障通信设施统统都是浮云;还有人以贵州兴建FAST望远镜为例表示在多雨的中国西南山区选址也无妨。本人虽然不是天文仪器相关专业出身,但身处天文圈,现在人事关系又是挂靠在南极天文中心,对选址相关的内容好歹有所了解,索性写上这么一篇文章罗嗦外加牢骚一通吧。

现代天文台台址的选择要考虑什么因素?众所周知的指标是晴天率、光污染与大气视宁度。第一条决定了每年可以进行观测的时间,后两条会影响观测质量,包括极限星等和望远镜的分辨率。在这几个指标的制约下,现代天文台往往建在远离人口密集区的山顶。这样的地方避开了大气中大多数水汽的干扰,一来可以有较为干燥的气候,可以满足晴天率的要求,二来也回避了导致视宁度恶化连带吸收过多的红外线限制观测的水气,再加上光污染甚微,不可谓不理想。什么?你说FAST身处喀斯特地形的谷底,而且贵州天无三日晴气候很是潮湿?阿雷西博天线也架设在热带丛林之中?那些都是射电望远镜,更确切地说是观测频率较低从而受水汽影响不太大的射电望远镜,跟光学天文台的选址标准区别甚远,对晴天率要求不高但需要远离无线电干扰,还是不要混为一谈了吧。

另一条值得注意的是,优良天文台台址往往座落在大洋东岸而非西岸,智利的Paranal山、北非的加纳利群岛都是如此,美国西部也远比东部适宜开展天文观测。这是气候条件所决定的,一般大洋东岸多见冬季暖湿(说是湿润其实也有限)夏季干热的地中海气候,西岸以大陆性气候为主,夏季降水较多。对于天文观测来说,显然前者更合适一些。当然,Paranal山这种天赐良址不仅身处大洋东岸沾了气候条件的光,还多了一道阻拦太平洋水汽的安第斯山,造就了百年不降几场雨的世界旱极,那真的是好运中的好运了。

不过现代天文台的选址真如某些爱好者所说,只要满足自然条件就万事大吉么?显然不是。还是以Paranal山为例。在欧洲南方天文台的观测站正式安装仪器之前,智利专门为观测站修筑了一条沙漠公路。甚大望远镜的镜面运抵之时更是排场摆尽,前方压路机开道警车护卫,必须确保整条公路的平坦,才能轮到运送镜面的车辆行驶。而现在观测站投入正常使用之后,每天站内百十号人的吃喝用度也全部要经由这条公路运输,光是水罐每天就要来回折腾不少。如果事先不把沙漠公路铺设完善,很难想象观测站要如何维持下去才好。

同理,Paranal山虽远离人烟,但百余千米开外就是南美洲重要的港口城市——安托法加斯塔。这里发挥着观测站大后方的作用,物资补给、设备运输乃至人员周转都有赖这里完成,大型望远镜也都是从欧洲装船运到这里的海港再转送到观测站的。类似地,夏威夷与加那利群岛这两处天文观测圣地也都坐拥比较繁华的交通要塞。所以这样看来,现代天文台与大中型城市的关系着实微妙,要距离城市足够远但又不能过远,否则运输后勤通信调度诸多不便,能否取得足够的科研成果还不好说,天文台的运营费用首先就成了天文数字。

那么世界上有没有远离一切人烟,且后勤不便的优良台址?确实有,这个问题的答案就是南极洲。虽然现在多国已经在南极架设了天文观测设备,但除了南极点的阿蒙森—斯科特科考站以外,这些设备的规模都不是很大。个人看来,很大程度上限制这里观测活动开展的因素正是后勤。且不论大型设备运抵南极所要花费的人力物力财力,就说日常运营。比如设在冰穹A附近的昆仑站就因为气候恶劣等因素无法派驻越冬人员,而尴尬的是在南极地区只有冬季才能利用极夜进行观测,倘或在此期间冰穹上的设备出了故障,维修之难可想而知(其实基本上等同于无法维修)。上个月南极中心召开合作会议,列席的多位外宾也表示他们架设在南极的设备也遭遇了类似的问题。

那么某些爱好者所强调的遥控又如何?理由貌似很充分嘛,哈勃空间望远镜这样的大型设备都可以全遥控操作,为何地面望远镜不可以?何况欧南台以及Mauna Kea的诸多望远镜都在强调遥控运转远程观测嘛。这个问题真还没有那么简单。本人不是这方面的内行,不过合作会议期间,就相关问题请教过各位专事仪器的专家,给出的答案如下:

首先,哈勃这样的空间望远镜发射之前,必须要进行周详的考虑,通信问题是重点之一。哈勃的轨道可以保证其与地面进行持续的宽带通信,但地面观测站尤其是南极各冰穹就不好说了,因为极轨卫星本身就数量很少,不能提供遥控全部设备所需的带宽。其次太空没有风霜雨雪的顾虑,没有重力导致的机架变形,因此空间设备的磨损要比地面小很多。尤其是霜雪,现在除雪技术很多,但最有效的手段真还莫过于人工清理。于是南极点的情况又该怎么说?毕竟IceCube之类的仪器规模相当可观。这里的解释是,地理位置偏僻不代表与世隔绝,也不代表后勤无力。因为美国有能力有技术让大型运输机进行雪地起降,至少在夏季,站内基本上可以保证每周一次的充足补给。仪器故障?人手不足?通信带宽不够数据不能及时回传?没关系,只消等上一周,零件、技师和数据就都有了……这样看来,与其一味强调远程遥控,不如一起提升雪地运输能力来得靠谱。

那么远程观测呢?这个问题也不用请教谁,还是本人来直接回答好了。欧南台也好,Mauna Kea山也好,甚至国内新建的一些设备也好,所谓远程观测,只是观测时圆顶内不留人,申请到观测时间的观测者也不一定需要亲自前往台站而已,但是天文台所在地必须要保证有专门的团队在控制室内值守,其任务是负责仪器的调试更换外加突发情况处理等等,比如Paranal山观测站平时常驻人口也是接近200人的。还是那句话,地面台站的环境比太空复杂得多,完全遥控不现实,无论在技术上还是成本上也都不甚划算。至于圆顶内不留人,大抵还是出于减少空气湍动外加降低潜在危险的考虑。

由此,现代天文台的选址绝不是满足自然条件要求其他可以统统略过的。恰恰相反,后勤补给之类被爱好者无视的因素是基础,倘或台址自然环境恶劣人烟过于稀少,天文台的建设必然是基建先行。实际上刚刚破土动工的39米E-ELT就是一个很好的例子。这架望远镜的台址选在了Paranal山附近的Cerro Armazones山,除了观测条件优越之外,也是有同Paranal观测站共用公路等基础设施降低运营成本的考虑。而在望远镜正式破土动工之前,通往山顶的公路早早就开始铺设了。另外也不必将这些动辄建在无人区中的观测站条件想象得太艰苦,比如Paranal站虽然身处旱极,生活区内却设有规模不小的游泳池和温室花园,甚至还设有桑拿浴室。这些设施除了为员工提供休闲的好去处,还有助于调节室内湿度,让环境更为宜居,以沙漠的标准来看,可谓奢侈。

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