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為什么我們要在南極建望遠鏡？

向“人類(lèi)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，已探測到的極低氣溫接近-100℃。雖然自然環(huán)境惡劣，然而南極的內陸高原卻是地球上最好的觀(guān)星地，尤其是被譽(yù)為“人類(lèi)不可接近之極”的內陸最高點(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(lái)源：中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 李正陽(yáng)）

冰穹A，海拔4100米，空氣稀薄，年平均氣溫-56℃，擁有長(cháng)達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、氣流穩定的自然條件，使得冰穹Ａ具有地面上天文觀(guān)測最清晰的視野，“準空間”的天文觀(guān)測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套天文觀(guān)測設備，其中包括人類(lèi)歷史上首次探測到引力波光學(xué)對應體之一的南極巡天望遠鏡（AST3-2）等。

南極冰穹A區域昆侖站天文設備

（圖片來(lái)源：中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 李正陽(yáng)）

中山站天文站點(diǎn)串起我國南極天文觀(guān)測鏈

南極是“空間和天文觀(guān)測”的優(yōu)勢場(chǎng)所，發(fā)展南極天文、建造自主研制的一流天文觀(guān)測設備，對我國天文探索和深空探測具有重要的意義。

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)研究所組建科研團隊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)極地創(chuàng )新團隊），擬依托我國南極考察站，構建中山站-泰山站-昆侖站的天文觀(guān)測鏈路，推動(dòng)南極天文觀(guān)測體系化發(fā)展。

中山站位于南極大陸邊緣，是通往南極內陸深處的門(mén)戶(hù)。作為常年有人值守的科考站，中山站為昆侖站天文設備運行和維護提供了可用的堅實(shí)基地，也為自主研發(fā)南極天文設備，提供了珍貴的一手實(shí)時(shí)觀(guān)測、測試數據。中國第32次南極科學(xué)考察期間，中山站安裝了首臺天文光學(xué)望遠鏡“南極亮星巡天望遠鏡（BSST）”并開(kāi)展越冬觀(guān)測試驗。

南極亮星巡天望遠鏡在中山站拍攝星圖

（圖片來(lái)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 )新團隊在南極中山站建立首個(gè)天文觀(guān)測平臺，安裝了一套有五個(gè)鏡筒組成的小型望遠鏡陣列，可同時(shí)開(kāi)展四個(gè)光學(xué)波段和近紅外波段天文觀(guān)測。該小型望遠鏡陣列由極地創(chuàng )新團隊自主研發(fā)，單鏡筒口徑150毫米，具備大視場(chǎng)巡天的能力，五個(gè)鏡筒全部架設在一臺直驅式赤道儀上，可開(kāi)展太陽(yáng)系外行星等時(shí)域天文學(xué)觀(guān)測和空間環(huán)境監測。

中山站小望遠鏡陣列

（圖片來(lái)源：中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 李正陽(yáng)）

極低溫下的南極望遠鏡也能“移動(dòng)打靶”

匹配優(yōu)異的南極天文臺址，南極天文光學(xué)設備需要實(shí)現對移動(dòng)天文目標的高精度跟蹤測量，獲得例如恒星連續的光度變化、顏色變化的精確數據。

中山站天文觀(guān)測平臺上的小型望遠鏡陣列，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(guān)測鏡筒（口徑200mm，視場(chǎng)7′×5.6′）。五個(gè)鏡筒集成架設在直驅式赤道儀上，具有角秒級指向和亞角秒級的跟蹤精度，能將天體目標鎖定到望遠鏡觀(guān)測視野中，開(kāi)展高精度的光度和顏色測量。

南極望遠鏡就好比運動(dòng)員在冬季奧運會(huì )上的移動(dòng)打靶，需要在極低溫（中山站-45℃）、風(fēng)霜雪的考驗下，穩定地打到5千米遠處的1元硬幣，難度極大。

楊臣威越冬期間開(kāi)展常規觀(guān)測任務(wù)

（圖片來(lái)源：中國極地研究中心 紀拓）

留守南極中山站的科學(xué)家在越冬期間正通過(guò)室內遙控望遠鏡進(jìn)行有序的觀(guān)測和拍攝。目前，望遠鏡運行良好，未來(lái)將會(huì )有大量專(zhuān)業(yè)數據陸續傳回國內，由后方科研人員進(jìn)行系統性分析。

中山站天文觀(guān)測平臺和望遠鏡陣列照片

（圖片來(lái)源：中國極地研究中心 紀拓）

在南極，尋找宇宙終極問(wèn)題的答案

幾千年前，屈原向天發(fā)問(wèn)：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了包括中國之星小望遠鏡陣列（CSTAR），南極巡天望遠鏡（AST3），南極亮星巡天望遠鏡（BSST）等一系列光學(xué)天文觀(guān)測設備，取得了例如引力波光學(xué)對應體搜尋測光觀(guān)測（中國科學(xué)院紫金山天文臺 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。

小望遠鏡陣列在中山站拍攝星圖

（圖片來(lái)源：中國極地研究中心 楊臣威）

目前極地創(chuàng )新團隊首批次部署南極的天文光學(xué)設備，以大視場(chǎng)、中小口徑巡天望遠鏡為主，擬在靠近南天極附近的天區搜尋太陽(yáng)系外行星，并開(kāi)展多波段測光、近紅外波段觀(guān)測實(shí)驗。通過(guò)對系外行星的搜尋測光觀(guān)測，可以回答諸如宇宙中是否存在類(lèi)地球行星、人類(lèi)是否孤獨等科學(xué)問(wèn)題（Liu et al， AJ 2018）。

參考文獻：

[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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