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中国南极天文发展现状与未来 南极洲是地球上最冷的大陆，少为人知的是，它也是地球上最干燥、平均海拔最高的大陆。它在漫长的岁月里与世隔绝，直到20世纪初才有人深入内陆开始科学考察。从20世纪后半段开始，天文学家逐渐发现，南极洲是地面上最好的天文观测基地。最初只有一些热气球等简易观测活动，最近20年，各个天文大国才纷纷开展正式的天文观测项目。 让我先来介绍一下南极洲的地形特点。南极洲绝大部分（98%）被厚达几公里的冰盖覆盖，冰盖一直延伸到海里，使得南极洲看起来的面积要比实际陆地面积大很多。南极洲陆地可以大致分为东西两部分，西半部分（突出来的南极半岛所在部分，也就是靠近南美洲部分）比较小，尽管南极洲的最高峰——文森峰就在这部分，但平均来讲地势要低很多；较大的东半部分（也就是靠近非洲和大洋洲部分），主要由南极高原组成，也是南极冰盖的最主要贡献者。由于冰盖覆盖，两部分在卫星图上没有那么明显的区分。南极点就在东南极和西南极的连接部位，南极点在南极洲既不在最中心，也不最高，更不最冷。南极洲最高也最冷的部分，是东部高原的中心区域。由于有几公里冰盖覆盖，东南极的地形比较平缓，没有突出的高峰，几个相对比较高的平地，被称为“冰穹”，包括冰穹A、冰穹C、冰穹F等等。冰穹A（Dome A）是其中最高的，也是东南极的最高点，海拔4093米，后面我们会详细说这个点。 下面说南极高原的气候。南极高原位于极地地区，而且海拔高（平均海拔3000米），这两个因素造成了它独特的气候，极度严寒而且干燥。内陆高原平均气温为零下56度，地球上最低气温记录零下90度的创造地，俄罗斯的东方站，就位于南极高原的中心区域。由于严寒干燥而且空气稀薄，这里根本不适合生命存在，别说企鹅等鸟类，就算是细菌都很难长期存活。南极气候还有一个特征是大风，受极地高压气候控制，南极高原和周围海域存在巨大的气压差，使得大风在南极高原成为了家常便饭，11级以上大风屡见不鲜。南极地区存在极昼和极夜，因此形成了夏季（对应12月到2月）和冬季（其余时间）两个季节。由于光照充足，夏季的南极高原气候相对比较温和，温度能达到零下二三十度，这是我国东北和西北部地区冬天经常可以达到的温度，可以支持人类生活。所以，南极高原地区的科考一般都在夏季进行，科考队员入夏时赶到这里，夏季结束时就得回国或者回到外围海边更为温暖的越冬站，留下设备和仪器来监测。 
那为什么我们要去这么一个恶劣的环境建立天文基地呢？这就要从天文观测所需的环境条件说起。对最常见的光学观测来说，一个好的观测地大致要满足以下要求：
第一，要黑暗。我们所看的遥远的天体都非常暗淡，只有在极暗的环境下才能看清，而黑暗的最大敌人就是光污染，所以大部分的天文基地都建在人烟稀少发展落后的地方。南极是未开发的处女地，完全没有光污染的问题。 第二，晴夜数要多。晴夜数指一年内基本晴朗的夜晚的数量，晴夜数越多越好。晴夜数具体定义比较复杂，大致来说，一般好一些的观测地点晴夜数都超过了200天，作为比较，笔者统计了中国东部某大城市的晴夜数，只有不到100天，而且基本都集中在冬季。天气不晴当然就是指有云或下雨，一般干旱、半干旱气候区和高海拔地区晴夜数较多。南极高原的地形和大气环流特征决定了高原上非常干燥，很少有云。 第三，大气要稳定。大气经常会发生湍流现象，这会折射星光，使星光无法准确的聚集在望远镜的成像点上，给高精度的天文观测造成困扰。大气稳定性可以用视宁度来定量表达，视宁度的单位一般为角秒，一般读者可以不必知道视宁度的确切定义，只要知道视宁度越小越好就可以了。举几个例子，我国目前最好的观测基地云南高美古观测站，视宁度好的时候可以接近1角秒；目前已充分开发的最好的观测台址——夏威夷莫纳克亚山，视宁度最好时能达到0.5角秒；作为对比，笔者所在的城市视宁度最好的时候也只有4角秒左右。而南极冰穹A作为地面上已知的最好的天文台址，只要有足够的条件，可以把视宁度提高到0.3角秒甚至更小，已经接近太空环境。这个条件我后面会详细说明。 第四，大气透明度要好。大气透明度用来衡量从大气层外过来的光有多少能穿透到地面。造成大气透明度的不佳的问题主要有空气污染和扬沙等（常年在兴隆观测基地的同行想必深有体会）。如果没有以上问题，那大气透明度就主要决定于大气厚度，高海拔观测点星光投射需要穿透的大气层较薄，透明度自然就高。显然，既没有污染又高海拔的南极高原大气透明度极佳。 天文学现在已经进入了全波段时代，天文学家从射电、红外、光学、紫外、X射线到γ射线等各个波段进行天文观测，所以这里也要说一下其他波段的情况。 首先说红外，红外线是指波长比可见光长的电磁辐射，波长范围为700纳米到1毫米（相比之下，可见光从400纳米到700纳米）。红外天文学是目前天文学发展的主流，研究宇宙极早期、高红移天体、年轻星系、恒星形成、星际尘埃、系外行星等热点项目，都离不开红外观测。红外分为近红外（从0.7微米到几个微米），中红外（几个微米到几十个微米），远红外（几十个微米到毫米）等波长范围。远红外比较长波的部分，又叫亚毫米波（指波长在几百微米到1毫米部分），还有个比较拉风的名字，叫太赫兹波段，这个名字是因为如果你去计算它的频率，会发现频率大约在1太赫兹左右（1太赫兹等于10的12次方赫兹）。由于中红外和远红外波段的辐射被大气吸收的特别厉害，难以在地面上观测，我们只关心近红外和太赫兹这两个波段。 对近红外而言，除了和光学一样的要求外，还有两个额外的要求。第一是干燥，这是因为大气中的水分子会吸收红外线，吸收的最厉害的就在中红外和远红外（这是地面上不能做中红外和远红外观测的一个重要原因），在近红外和太赫兹一头一尾两个波段，水分子吸收也会造成比较严重的干扰。如果观测台址空气过于潮湿，近红外观测就没法做了。南极温度低，水蒸气都已经凝结成冰，空气中水含量非常低。第二是寒冷，这是因为一切物体都会自发的发出电磁辐射，物体温度越低，发出辐射的波长越长。每个温度都有一个对应的波长，换算公式为3毫米除以热力学温度（摄氏温度加上273），在这个波长附近辐射最显著，其他波段几乎没有辐射。举几个例子，太阳表面温度约为6000K，对应的波长为500纳米左右；人体表面温度300K左右，对应波长10微米；南极高原冬季温度200K左右，对应波长15微米。由于地表物体温度普遍在300K左右，辐射集中在中红外波段，如果想做中红外天文观测，地面物体包括设备本身的红外辐射会造成严重的干扰（这是地面上不能做中红外和远红外观测的另一个重要原因）。近红外波段也会受到地面辐射的干扰，南极温度较低，地面辐射的峰值更偏向长波，所以近红外受到的地面辐射干扰会比地球上其他观测点要小很多。所以，南极是地面上最适合做近红外观测的地点，举例来说，一台建在南极的2米望远镜，在近红外波长最长的波段，观测效果等同于地面其他台址的20米望远镜！ 太赫兹是最近新兴的观测波段，适于研究宇宙极早期、早期年轻星系、微波背景辐射、星际介质、星际分子辐射、系外行星等等。相对来说，太赫兹望远镜台址的要求不多，干燥就好了。 其他波段，紫外、X射线和γ射线在地球上根本不能观测，就不说了。注意虽然南极有臭氧层空洞，透过来的紫外线要远多于别处，但仍旧不足以使我们做紫外天文观测。射电波段，包括毫米波在内，南极也是地面上最佳的观测点之一，但相比来说优势不大。 南极冰穹A位于南极高原中心区域，地理坐标东经77度，南纬80度左右，距离我国在南极活动的支点——中山站大约1200公里。冰穹A是一块长宽几十公里的平台地带，视野开阔，最高处海拔4093米，空气稀薄。冬季最低气温零下81.5度，年平均气温零下58.7度。2005年1月，中国南极科考队首次登上南极冰穹A，并确定了南极冰盖最高点的位置，将五星红旗插到了南极高原的最高点，并建立了标记。在05年第一次登上之后，我国几乎每年都会派出科考队，到这里进行各项科学考察活动，研究冰川、大气、环境以及天文学。为了更好的支持南极科考活动，我国随后在冰穹A建立了中国第一个南极内陆科考站，并用我国西部山脉的主干——昆仑来命名。昆仑站位于冰穹A最高点西南7公里，海拔4087米，于2009年正式开站。到目前为止（2012年），昆仑站可以容纳20人左右度夏的工作和生活需要，注意是光照充足、温度较高、气候温和的夏季，目前昆仑站还不能支持科考队员的越冬需要。昆仑站还在建设当中，在未来的几年里，我们计划将其建成越冬站，并建立小型飞机场，方便和中山站进行人员和物资的交流。
2009年1月，昆仑站开站。 天文学从一开始就是南极科考的重要项目，在简单的考察后，我国于2008年1月在昆仑站建立了第一组天文望远镜，全称“中国小型光学望远镜阵”，简称CSTAR，由4个口径14.5厘米的小望远镜组成。这组望远镜的主要功能是测试南极的天文环境，简单说就是拿小望远镜拍拍照，看是不是真的有传说中的那么好。测试几年后发现这里真的真的非常好，因此我国决定在南极造更多的天文望远镜。
安装好的CSTAR，背后黄色的是PLATO，里面是一些调控监测仪器，再后面是昆仑站。 2012年1月，第一台用于科学产出的望远镜——“南极施密特望远镜”（简称AST3）在昆仑站架设成功，这是一台有效口径50厘米的施密特型望远镜，简称后面有个数字3，意思是我们一共要放3台一样的望远镜，目前已经架设了第一台。施密特望远镜的特点是视场大，这种望远镜特别适合用来巡天。巡天是一种望远镜使用方式，意思就是对着很大一块星空拍照，记录下所有能拍到的东西的信息，这种工作方式一般用于找某类天体。AST3最主要的科学目标有两个，一个是寻找超新星，另一个是寻找系外行星。以超新星为例，我们发现超新星的手段就是盯着某个星系看，如果发现突然出现了一个新的星点或者星系突然增量很多，那么这个星系很可能出现了超新星。超新星出现前绝无征兆，需要连续不停的拍摄才能发现，天上星系很多，我们也不知道哪个星系会有超新星，所以要监测一片很大的天区。这台望远镜的设计目的即在于此，它可以把整个南半球的星空每天拍一遍。和超新星同理，行星凌星和微引力透镜事件这两种发现系外行星的重要手段，也需要这种巡天观测。巡天望远镜放到南极，还有一些前面没提到过的特别的好处，其一是南极有极夜，某些重要目标可以连续不停的监测，不像其他观测点一到白天就得歇了；其二是南极天空条件稳定，拍出的星像也稳定，易于发现微小的变化。我们刚才说过的这种短周期大面积巡天称为瞬态巡天，是现代天文学热点项目之一。目前世界上主要的瞬态巡天项目有帕洛玛瞬态巡天（PTF），泛星计划（Pan-STARRS）等，它们虽然强大，但台址位于北半球，难以检测南天天空；卡特林那巡天系统（CSS）位于南半球，但不够强大；所以南极巡天望远镜大有可为，是补全全天监测的重要一环。 
第一台AST3望远镜，安装于2012年1月。 
AST3设计图，计划在冰穹A安装三台同样的望远镜。 前面说过，南极天文最大的优势在红外和太赫兹两个波段，我国还未实现，尚在计划研发当中。我国预计将于接下去的五到十年里在昆仑站建造两台望远镜，一是2.5米“昆仑暗宇宙巡天望远镜”（KDUST），二是5米“冰穹A太赫兹探测器”（DATE5），分别工作在前面说的两个波段。这两个望远镜之后，都计划有更大更先进的升级仪器，由于比较遥远，就不说了。 KDUST是一台光学红外望远镜，设计口径2.5米，预计将于2020年之前建成。建成后预计分辨率（光学0.3角秒，红外接近衍射极限）和深度接近哈勃望远镜，而视场大小（1.5度视场）远超哈勃，在自己的工作波段总体与哈勃望远镜同等水平。KDUST计划建造于一座15米的高塔之上，使望远镜处于表面边界层之上。在南极近地面的几十米内，湍流相对较严重，这一层叫做表面边界层，层中视宁度不理想，只能达到1角秒左右；而达到边界层的上方后，大气非常稳定，视宁度可以达到0.3角秒。各个地方边界层厚度不同，昆仑站台址处边界层很薄，只有十几米高度，只要建造一台十几米高的高塔，将望远镜置于其上，就可以保证望远镜多数时候处于表面边界层之上，拥有极高的视宁度。 
KDUST概念图，下方是高塔，望远镜置于高塔上的圆顶中。 DATE5是一台太赫兹望远镜，其原理类似射电望远镜，就是一口大锅。射电望远镜一般工作在吉赫兹（10的9次方赫兹）波段，而太赫兹望远镜探测的电磁辐射，频率要高得多，波长也小得多，对镜面的精度要求也高很多。由于此波段辐射被水蒸气吸收的很厉害，很难探测，尤其是频率超过1太赫兹的频率窗口，以前的研究很少，设备也很少，可谓是屈指可数，只有赫歇尔空间天文台（FIRST）、AST/RO等少数小型望远镜做出了初步探索；阿塔卡玛毫米/亚毫米干涉阵（ALMA）能探测到这个波段，但是效率较低。由于这是一个未被充分探测的波段，有从未想到的重大发现也是有可能的。 最后讨论一下冰穹A天文学的前景。南极条约规定，南极是世界公共地，不允许私划领土，也不得在其上进行任何矿业开发或军事计划。我国于1983年加入南极条约，也必须遵守条约规定。目前很多国家都在南极建立了考察站，考察站虽然不属于国家领土，但由于南极条件恶劣，科考需要考察站支持，其他国家机构在冰穹A的活动需要和中国合作。而中国在很多高新技术领域都落后于世界先进水平，也需要同国外合作获得技术支持，因此国际合作项目就成了中国南极天文学发展主流，之前的一些项目也都有国际合作。在南极展开国际合作项目有一个优势，南极不属于任何国家，任何国家公民都有权利到南极的任何地方，再加上南极不可以用于军事用途，这些都使得在南极的高科技项目会遇到更少的障碍。举个具体例子，中国红外探测器制造水平落后，由于担心用于军事用途，美国不会对中国出口先进红外探测器，但如果地点在南极，情况就不太一样。
在4米郭守敬望远镜投入使用后，我国已有造大型望远镜的经验和实力，在南极制造大型望远镜的条件已经具备。虽然我们还要面对很多困难，例如低温环境下仪器的稳定性、结霜、冰面建筑稳定性、能源供应、紧急状况处理等等。但从我国科技发展的历史来看，只要国家重视，一些小的困难都是可以克服的。目前government在相关领域投入的资金相当多，笔者个人看来，一些初级的目标都是可以实现的。 后记：笔者从未到过南极，但接触过一些去过南极的人和南极天文研究的骨干人员，他们的活力与干劲，让人深受感染。这些人虽然在专业领域都小有名气，但在大众领域可以说都是籍籍无名。在国内还有很多和他们一样的基层科技工作者，中国科技能在几十年内从白手起家到如今追近世界领先水平，他们的功劳很大。谨以此文献给这些默默无闻的工作者。 图片来源 南极地形图片来自http://aag./DomeA/Antarctica.Map.htm，polrbear修改了此图片，加入了中山站位置 昆仑站图片来自新闻http://www./abo ... -antarctic-stations CSTAR图片来源于中国南极天文中心网站http://ccaa./show.asp?id=133 AST3图片来源于28届IAU公报http://info./download/a ... paper/IHissue01.pdf AST3设计图来自http://www.thca./en/index.php/AST3 KDUST设计图来源于交流 |
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