研究发现南极冰穹A为目前地面最佳光学天文观测台址

  来源:中科院之声

  7月30日,国际期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台商朝晖研究团队的一项重要成果。依托安装于中国南极昆仑站的自主研制设备,研究团队测量并获得了极佳的夜间大气视宁度,证明昆仑站所在的冰穹A地区的光学天文观测条件优于已知的其他任何地面台址。这项研究成果确认了昆仑站有珍贵的天文观测台址资源,为我国进一步开展南极天文研究奠定了基础。

  视宁度表征大气抖动对望远镜观测星象造成的模糊程度。在视宁度好(数值小)的条件下,观测恒星因为大气湍流带来的抖动比较小,所以照片上星象更加锐利清晰,对观测暗弱的天体效率更高。在视宁度优异的天文台,一台小口径望远镜的观测能力可以与其他地方的大望远镜相媲美。因此天文台的选址至关重要,而视宁度是最重要的参数之一。

  昆仑站所在的南极冰穹A地区的地理和大气条件表明,大气湍流主要在近地表的边界层,边界层之上的自由大气非常稳定,理论预计有很好的视宁度。这次的成果第一次用实测数据对冰穹A的视宁度进行了定量科学统计和评估,并进一步证明了冰穹A的大气边界层很低,有利于未来的天文台工程建设和成本控制。

  研究团队自主研制了昆仑视宁度望远镜KL-DIMM,于2018年11月参加中国第35次南极科考,赴内陆昆仑站,于2019年1月现场安装调试成功后立即投入观测,并实现无人值守的越冬长期全自动运行,获取了珍贵的夜间视宁度测量数据。数据表明,自由大气视宁度的中值只有0.31角秒,最佳值达到0.13角秒,并且在离地面8米的高度,就有31%的时间可以获得自由大气视宁度;在离地面14米的高度,有近一半的时间可以获得自由大气视宁度。相比较而言,同在南极的冰穹C的边界层高度中值在30米,比冰穹A难于获得自由大气视宁度。天文观测对成像质量要求极高,目前世界上最好的望远镜集中在夏威夷和智利北部优良的台址上,视宁度一般在0.6-0.8角秒。冰穹A的天文观测条件明显优于上述两个地区,有望成为优秀的地面天文台。

  昆仑站位于海拔4093米的南极冰穹A,国家海洋局组织的中国南极考察队在2005年第一次到达这个地区,也是唯一从陆地到达这个地区的国家。自2007年参与南极昆仑站的内陆科考以来,中国天文界获得了一系列天文观测和台址测量的成果。昆仑站冬季气温可以低至零下80度,在这里运行的设备要面对低温、霜雪、有限能源和通讯等多重挑战。研究团队基于南极天文多年经验积累,克服重重困难,成功研制了适应极低温下运行的视宁度望远镜KL-DIMM,并在帕米尔高原的新疆天文台慕士塔格观测站进行野外测试和比对,确认了仪器性能。KL-DIMM及其他设备随第35次南极科考(2018/2019)安装于冰穹A,成功全自动越冬运行。安装过程中,内陆科考队克服了高原缺氧、低温等各种困难,并在现场维护更新了为天文设备提供能源和通讯的设施PLATO-A。

  这项工作基于KL-DIMM的数据,与澳大利亚和加拿大科学家合作完成。本研究论文共包括9位作者,参与单位包括国家天文台、天津师范大学、中国极地研究中心、澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)和加拿大不列颠哥伦比亚大学(UBC)。南极天文的发展一直得到自然资源部下属的国家海洋局极地考察办公室和中国极地研究中心的鼎力支持。

夜间视宁度测量结果。峰值处表明自由大气视宁度的中值为0.31角秒。
工作现场照片。中间是DIMM的8米高的塔架,前面是15米高的多层大气参数测量塔KLAWS-2G,其数据也用于了这项研究。右侧的黄色集装箱是PLATO-A的仪器舱。
南极昆仑站2台冗余的视宁度望远镜及其8米高的塔架(安装时照片)
武汉大学中国南极测绘研究中心提供的南极地图,显示冰穹A、C、F以及南极点、中山站和泰山站。

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