东半球最佳天文台址，为何在青海冷湖？
东半球最佳天文台址，为何在青海冷湖？
本文来自微信公众号：出色WSJ中文版（ID：WSJmagazinechina），作者：刘博洋，头图来自：作者供图
中国最美星空在哪里？
对普通人而言，答案可能五花八门；但对天文学家而言，“标准答案”已跃然纸上。
2021 年 8 月 18 日，《自然》杂志刊登中国科学院国家天文台邓李才研究员团队的论文，这篇雄文以大量实测数据有力地指出：中国最好的光学天文台址，位于青海西北部的冷湖镇，4500 米的赛什腾山之巅。
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短片开始的尘卷风镜头摄于敦煌到冷湖途中（甘肃一侧），而非冷湖地区本身（作者注）
一、天文学家之痛
提起中国天文学，国人已能条件反射般说出“中国天眼”——然而这架位于贵州平塘的 500 米口径球面射电望远镜，仅能代表当代天文学宽广光谱中的射电波段上中国取得的突破性成就。
而在更“经典”的可见光波段上发展的“光学天文”，中国天文学家则长期苦于缺乏世界顶级大口径望远镜可用，实在是“巧妇难为无米之炊”。
当前中国口径最大的光学望远镜“郭守敬望远镜”，位于北京东北方不远处、燕山山脉之上的国家天文台兴隆观测基地。它是一台口径 6 米级的光谱巡天望远镜，以能够同时获取大量天体光谱的能力著称。
同在兴隆观测基地的，还有曾长期领有“中国最大口径通用型光学望远镜”桂冠的 2.16 米望远镜。这里的“通用”，指的是天文学家可以根据自己的科学需求，在获得批准的时间段，专门观测自己感兴趣的特定天体；而非像“巡天望远镜”那样，主要由望远镜运行单位制定巡天计划，统一安排观测目标。
兴隆观测基地的2.16米望远镜（前）和郭守敬望远镜（后） （作者供图）
除了 2.16 米望远镜，中国在 2 米以上的通用型望远镜就只有 2008 年投入使用的云南天文台丽江观测基地的 2.4 米望远镜了。
而国际上，从 90 年代开始，8-10 米级的大口径望远镜就不断拔地而起。目前，在美国、智利、南非等地，累计已有 13 座口径 8 米以上的通用型望远镜投入使用。欧美各国还在积极酝酿下一代 30-40 米级超大口径地基光学望远镜计划。
望远镜的集光能力与口径的平方成正比。也就是说，中国天文学家收集来自遥远宇宙暗弱星光的能力，已经落后世界先进水平十倍以上，并有进一步落后到百倍以上的危险。
从至少十多年前开始，中国天文学家就不断讨论如何才能“弯道超车”。其间，关于参加“30 米望远镜”（TMT）国际合作计划，还是以我国为主发起 20 米级望远镜的国际合作项目，曾经在学界内有过激烈的争论。
一番沟通折冲之后，中国天文学界达成了自主建设口径 12 米的大型光学望远镜的共识，以争取在国外 30-40 米级超大口径望远镜落地之前，抢占 10 米级望远镜梯队的鳌头。
但 12 米望远镜放在哪，就成了个大问题。
“郭守敬望远镜”所在的兴隆观测基地，号称东亚最大的光学天文基地。从拥有的望远镜数量、质量来说，这无可争议；但事实上，选址于上世纪 60 年代的兴隆观测基地，处于北京、天津、承德、唐山等多个环渤海城市群的包夹之中，日益受到周边城市发展带来的光污染与雾霾的威胁。原计划开展银河系内与银河系外两方面巡天的郭守敬望远镜，受限于兴隆站不断恶化的观测条件，后来只得局限于相对容易开展的银河系内巡天。
兴隆观测站周边光污染源形势图（来自lightpollutionmap.info网站）
与海拔 900 多米的兴隆观测站相比，海拔 3100 多米的丽江观测站条件稍好，但这里同样不具备安置 10 米以上大型望远镜的优良条件。为下一代大望远镜寻找一个世界顶级的天文台址，成为中国天文学家必须解决的重大问题。
二、西强于东
天文学家眼中的世界顶级天文台址长什么样？
显然光学波段天文学观测最重要的就是晴朗无云的夜空。而优秀天文台址晴天率高、降水稀少的气象条件表现在地面环境上，就是荒芜的山峰、裸露的岩石。用邓李才研究员的话说，我国既有的兴隆、丽江等大型光学台址，“无一不是绿树葱茏、繁花似锦”，直观上看起来，就与世界顶级天文台有一定的距离。
公认的世界顶级天文台址，有夏威夷大岛的莫纳克亚火山山顶（海拔 4200 米），以及智利北部的阿塔卡马高原地区（海拔 5000 米左右）。它们皆是寸草不生的苍凉之地。
夏威夷莫纳克亚天文台（作者供图）
不仅如此，位于太平洋中心的夏威夷，受益于周围广袤水体的“热缓冲器”作用，温度变化很小；稳定的洋流带来稳定流动的风，让星光穿越这里的大气时，甚少受到不稳定的大气湍流的影响，从而可以在望远镜中呈现锐利的星象。
衡量大气稳定程度的是天文学家称之为“视宁度”的数值。莫纳克亚等顶级天文台的视宁度，通常可以达到 1 角秒甚至更少；相较而言，兴隆等低海拔一般台址，其视宁度通常只有 2-3 角秒。
晴朗干燥、视宁度好、远离城市，地球上最满足这些条件的地方，在南极。位于南极大陆制高点冰穹A的中国南极昆仑站正在开展的天文学观测表明，那里是一个条件接近太空的天文观测宝地。然而与准空间级的条件相对应的，是极其不便的后勤补给条件。
要在有限的预算内建设下一代大型光学望远镜，我们势必要把目光投向中国广袤、高寒的西部。
从 2003 年开始，国家天文台就启动了西部天文选址项目，试图在西藏、青海、新疆、四川的高海拔地点，找到一个能为中国天文发展提供长期可靠支撑的顶级天文台址。
中国西部天文选址相关地点（印度天文台位置作为参考，作者供图）
一度进入人们视野的是西藏阿里、四川稻城、新疆慕士塔格等台址。其中海拔 5000 多米的阿里台址被寄予厚望：这里距离狮泉河昆莎机场比较近，在交通便利性方面有着较大优势。但距离阿里台址最近的小镇狮泉河，海拔仍在 4000 米以上，常人难以在此久居。缺乏低海拔后勤补给点成为阿里台址的重大软肋。
而四川稻城无名山台址由云南天文台“中国巨型太阳望远镜”团队发现。在距它一小时车程处，有海拔 2800 米的桑堆乡可以为未来的天文台提供后勤支持。这里的视宁度也相当优异，好于阿里台址。在 2017 年的一场内部投票中，稻城台址在与阿里、慕士塔格的竞争中胜出，成为最被看好的 12 米望远镜选址地。
“无任稻城阿里，西强于东”，北京大学天文学系吴学兵教授当时在社交媒体感慨道。
然而据小道消息，一个高级别专家组前往稻城考察期间，天公不作美，连续几天的阴雨促使专家组重视起稻城台址晴天率低的问题，12 米镜花落谁家悬念重现。
三、发现冷湖
2009 年，国家天文台邓李才研究员在青海德令哈设置了一个口径 1 米的小望远镜，作为国际恒星观测网络（SONG）的一个节点。
德令哈观测站本来是紫金山天文台的一个射电天文学台站，拥有一架 13.7 米口径的毫米波望远镜。虽然此站不是为光学天文观测所设，但 SONG 项目口径较小、对台址要求不甚严苛，邓李才当时考察后认为，这里的天空条件也能满足观测所需。
然而德令哈市的发展出乎了天文学家的意料。2017 年，德令哈市方向的天空背景，已经比项目开始之初亮了 1000 倍，让 SONG 的观测难以为继。
恰在此时，青海海西州一个曾经因石油兴盛、又因资源枯竭沉寂的小城“冷湖”，走入了邓李才的视野。
冷湖是一个极其孤寂的小镇，常住人口不过百余人。反倒是郊外几处大面积的石油小镇遗址，以其书写着昂扬语录的断壁残垣，昭显着这里曾经的辉煌。
冷湖附近的石油小镇遗址（作者供图）
冷湖号称拥有世界上最大、最成熟的雅丹地貌群。风常年掠过这里荒芜的山丘，雕刻出一座座前部圆盾形、后部拖着长尾的土包，连绵不绝、直到远方，是为雅丹地貌。
因为雅丹同样是火星上一种常见地貌，当地以“火星小镇”为宣传噱头包装这个荒原中的微小人类聚落，甚至还在最雄伟的雅丹景观“俄博梁”不远处建设了一座“火星营地”。
冷湖附近的雅丹地貌（作者供图）
谋求转型的当地政府引入了一系列与太空、宇宙概念相关的产业：有以“冷湖”为名的科幻文学奖，还有若干民营航天企业在此落户建立火箭发射试验场。
正是在这样的背景下，邓李才研究员被邀请到冷湖，考察当地是否有合适的天文台址。
邓李才到实地一看，这里黑暗、干燥，沿途寸草不生，还真的可能有戏。
2017 年，当地政府对选址团队承诺会对冷湖全域进行光污染管控；2018 年春，大规模的选址工作就在距离冷湖 80 km车程的赛什腾山启动了。海西州以 12 万元一天的成本，出动直升机运送人员和物资抵达海拔 4200-4500 米的几个选址点。基本气象参数、视宁度、粉尘含量监测仪器先后到位。到 2019 年秋，一条 16 公里长的笔直土路和约 20 公里长的盘山路修通，大卡车开始往来穿梭，建设进一步提速。
赛什腾山天文台和远方的雅丹地貌（作者供图）
这是一番豪赌，而这一次，邓李才赌对了。
在高达 95% 的监测覆盖率下，开始监测三年后，冷湖赛什腾山选址点给出了令人振奋的结果。
这里的优良晴夜率（能观测 3 小时以上的晴夜比率）高达 84%，优于阿里的 82%，更远高于稻城的 59%。有一半时间的视宁度优于 0.75 角秒，明显好于稻城的 0.99 角秒、也好于慕士塔格的 0.84 角秒。
邓李才等《自然》文章附录表2（作者译注）
这些数据不仅超越国内此前几个西部选址点，甚至与夏威夷莫纳克亚、智利阿塔卡马相比，也不遑多让。实际上，冷湖的视宁度追平了莫纳克亚，天光背景和水汽含量好于莫纳克亚，仅晴空率稍弱于后者。
冷湖镇海拔仅 2800 米，距离敦煌机场 3 小时车程，交通和后勤补给条件也都一流。
综合来看，这里确实可称之为中国最优秀的光学天文台址——甚至可称之为欧亚大陆或东半球最优秀的天文台址。
而在中国建设顶级天文台址，受惠的绝不仅仅是中国天文学家：在世界天文学的版图上，欧洲、东亚、太平洋中部、北美、智利、澳大利亚、南非等地的一系列望远镜可以织成一张大网，对特定天体进行接力观测，实现在时间这个维度上连续覆盖——这叫做时域天文学，天文学发展的大势所趋，也是邓李才研究员的专长。有了冷湖这个顶级台址，中国天文学家可以更有底气、更有意义地参与到国际时域天文联测中；世界各国天文学家也都得以拥有更优质的连续监测数据。
四、冷湖未来
就在《自然》文章出刊前两天，我登上了赛什腾山——这座繁忙的大工地。
盘山公路沿途，已有不少于三处山头正在大兴土木，建设望远镜圆顶等基础设施。
仅在海拔 4200 米的 C 点一处，就会聚了好几个项目的在建工地：中科大-紫台 2.5 米大视场巡天望远镜（WFST）、搬迁至此的 SONG 望远镜、中科院地质地球所用于观测行星的 0.8 米PAST和 1.8 米TINTIN望远镜、西华师大的 50 厘米双筒望远镜（50BiN）。
赛什腾山C点工地的繁星（作者供图）
PAST 与 50BiN 位于一对相邻且相同大小的白色圆顶中，乍一看，简直就是莫纳克亚山顶两座 10米 凯克望远镜的翻版。
山顶的工人师傅告诉我，他们有的人已经在此驻扎 5 个月没有下山；“以安全求效益、以质量求发展”的标语写在楹联上，高大的塔吊耸立在苍穹中——一派热火朝天的建设景象，令人十分欣快。
赛什腾山C点工地的凌晨星空（作者供图）
据了解，在兴隆站无法完全发挥威力的郭守敬望远镜也有意搬迁至此、并计划在条件成熟时升级到 8 米口径；清华大学也正在着力推动口径 6.5 米的“宽视场巡天望远镜”（MUST）。也就是说，未来冷湖可能拥有两台 6-8 米口径，威力强大的大视场、多光纤光谱巡天望远镜同时工作。
据悉，中国科学院已经将冷湖台址列入未来大口径通用望远镜建设的蓝图。之前的争议与困惑终于迎来了曙光。
我已经禁不住畅想，十年之后，大小圆顶林立的赛什腾山，将会是中国天文学家心中，怎样的一座圣殿！
本文来自微信公众号：出色WSJ中文版（ID：WSJmagazinechina），作者：刘博洋