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為什么我們要在南極建望遠(yuǎn)鏡？

向“人類不可接近之極”接近

人跡罕至的南極洲是地球上最南邊的大陸，冰蓋像一只帽子蓋住了南極的大陸江海，使得南極只有5%左右的裸露的地表，平均冰厚2千米，已探測(cè)到的極低氣溫接近-100℃。雖然自然環(huán)境惡劣，然而南極的內(nèi)陸高原卻是地球上最好的觀星地，尤其是被譽(yù)為“人類不可接近之極”的內(nèi)陸最高點(diǎn)冰穹A（Ma et al. 2020 Nature）。

南極及中國南極科考站示意圖

（圖片來源：中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 李正陽）

冰穹A，海拔4100米，空氣稀薄，年平均氣溫-56℃，擁有長達(dá)3個(gè)月的極夜，擁有約90%的晴夜。正是這樣的一個(gè)冷、暗、干燥、氣流穩(wěn)定的自然條件，使得冰穹Ａ具有地面上天文觀測(cè)最清晰的視野，“準(zhǔn)空間”的天文觀測(cè)條件是支撐南極天文學(xué)發(fā)展的珍稀資源。（這里有地球上最澄澈的星空）

我國于2009年在冰穹A建立首個(gè)南極內(nèi)陸考察站——昆侖站。依托昆侖站，中國科學(xué)院研究單位與中國極地研究中心合作研制了多臺(tái)套天文觀測(cè)設(shè)備，其中包括人類歷史上首次探測(cè)到引力波光學(xué)對(duì)應(yīng)體之一的南極巡天望遠(yuǎn)鏡（AST3-2）等。

南極冰穹A區(qū)域昆侖站天文設(shè)備

（圖片來源：中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 李正陽）

中山站天文站點(diǎn)串起我國南極天文觀測(cè)鏈

南極是“空間和天文觀測(cè)”的優(yōu)勢(shì)場(chǎng)所，發(fā)展南極天文、建造自主研制的一流天文觀測(cè)設(shè)備，對(duì)我國天文探索和深空探測(cè)具有重要的意義。

中國極地研究中心、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)和中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所組建科研團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱極地創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)），擬依托我國南極考察站，構(gòu)建中山站-泰山站-昆侖站的天文觀測(cè)鏈路，推動(dòng)南極天文觀測(cè)體系化發(fā)展。

中山站位于南極大陸邊緣，是通往南極內(nèi)陸深處的門戶。作為常年有人值守的科考站，中山站為昆侖站天文設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)提供了可用的堅(jiān)實(shí)基地，也為自主研發(fā)南極天文設(shè)備，提供了珍貴的一手實(shí)時(shí)觀測(cè)、測(cè)試數(shù)據(jù)。中國第32次南極科學(xué)考察期間，中山站安裝了首臺(tái)天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡“南極亮星巡天望遠(yuǎn)鏡（BSST）”并開展越冬觀測(cè)試驗(yàn)。

南極亮星巡天望遠(yuǎn)鏡在中山站拍攝星圖

（圖片來源：中國極地研究中心 姜鵬）

中國第38次南極科學(xué)考察期間，極地創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在南極中山站建立首個(gè)天文觀測(cè)平臺(tái)，安裝了一套有五個(gè)鏡筒組成的小型望遠(yuǎn)鏡陣列，可同時(shí)開展四個(gè)光學(xué)波段和近紅外波段天文觀測(cè)。該小型望遠(yuǎn)鏡陣列由極地創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，單鏡筒口徑150毫米，具備大視場(chǎng)巡天的能力，五個(gè)鏡筒全部架設(shè)在一臺(tái)直驅(qū)式赤道儀上，可開展太陽系外行星等時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)。

中山站小望遠(yuǎn)鏡陣列

（圖片來源：中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 李正陽）

極低溫下的南極望遠(yuǎn)鏡也能“移動(dòng)打靶”

匹配優(yōu)異的南極天文臺(tái)址，南極天文光學(xué)設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)天文目標(biāo)的高精度跟蹤測(cè)量，獲得例如恒星連續(xù)的光度變化、顏色變化的精確數(shù)據(jù)。

中山站天文觀測(cè)平臺(tái)上的小型望遠(yuǎn)鏡陣列，包括4個(gè)光學(xué)波段鏡筒（單鏡筒口徑150mm，視場(chǎng)直徑6°）和1個(gè)近紅外0.9-1.7微米觀測(cè)鏡筒（口徑200mm，視場(chǎng)7′×5.6′）。五個(gè)鏡筒集成架設(shè)在直驅(qū)式赤道儀上，具有角秒級(jí)指向和亞角秒級(jí)的跟蹤精度，能將天體目標(biāo)鎖定到望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)視野中，開展高精度的光度和顏色測(cè)量。

南極望遠(yuǎn)鏡就好比運(yùn)動(dòng)員在冬季奧運(yùn)會(huì)上的移動(dòng)打靶，需要在極低溫（中山站-45℃）、風(fēng)霜雪的考驗(yàn)下，穩(wěn)定地打到5千米遠(yuǎn)處的1元硬幣，難度極大。

楊臣威越冬期間開展常規(guī)觀測(cè)任務(wù)

（圖片來源：中國極地研究中心 紀(jì)拓）

留守南極中山站的科學(xué)家在越冬期間正通過室內(nèi)遙控望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行有序的觀測(cè)和拍攝。目前，望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行良好，未來將會(huì)有大量專業(yè)數(shù)據(jù)陸續(xù)傳回國內(nèi)，由后方科研人員進(jìn)行系統(tǒng)性分析。

中山站天文觀測(cè)平臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡陣列照片

（圖片來源：中國極地研究中心 紀(jì)拓）

在南極，尋找宇宙終極問題的答案

幾千年前，屈原向天發(fā)問：上下之形，何由考之？日月安屬，列星安陳？

幾千年后，我們正在南極尋找這些答案。

我國已先后在南極建設(shè)了包括中國之星小望遠(yuǎn)鏡陣列（CSTAR），南極巡天望遠(yuǎn)鏡（AST3），南極亮星巡天望遠(yuǎn)鏡（BSST）等一系列光學(xué)天文觀測(cè)設(shè)備，取得了例如引力波光學(xué)對(duì)應(yīng)體搜尋測(cè)光觀測(cè)（中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái) Hu et al, Science Bulletin, 2017）、系外行星候選體搜尋（南京大學(xué) Zhang et al, APJs, 2019）等突出科學(xué)成果。

小望遠(yuǎn)鏡陣列在中山站拍攝星圖

（圖片來源：中國極地研究中心 楊臣威）

目前極地創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首批次部署南極的天文光學(xué)設(shè)備，以大視場(chǎng)、中小口徑巡天望遠(yuǎn)鏡為主，擬在靠近南天極附近的天區(qū)搜尋太陽系外行星，并開展多波段測(cè)光、近紅外波段觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)系外行星的搜尋測(cè)光觀測(cè)，可以回答諸如宇宙中是否存在類地球行星、人類是否孤獨(dú)等科學(xué)問題（Liu et al， AJ 2018）。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ma, B., Shang, Z., Hu, Y. et al. Night-time measurements of astronomical seeing at Dome A in Antarctica. Nature 583, 771–774 (2020).

[2] Hu L. et al. Optical observations of LIGO source GW 170817 by the AST3-2 at Dome A Antarctica. Science Bulletin 62, 1433-1438 (2017).

[3] Zhang H. et al. Exoplanets in the Antarctic Sky. I. The First Data Release of AST3-II (CHESPA) and New Found Variables within the Southern CVZ of TESS. The Astrophysical Journal Supplement Series 240:16 (32pp) (2019)

[4] Liu HG. Et al. Searching for the Transit of the Earth mass Exoplanet Proxima Centauri b in Antarctica. The Astronomical Journal 155:11(10pp) (2018)

作者單位：中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所

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