天文臺(tái)首次測(cè)得南極冰穹A夜間大氣視寧度

隨著南極極夜逐漸降臨，國(guó)家天文臺(tái)位于南極冰穹A昆侖站的視寧度測(cè)量望遠(yuǎn)鏡(KL-DIMM)首次直接測(cè)量到了冰穹A的夜間大氣視寧度，同時(shí)也證實(shí)了在地表8米的高度之上即有機(jī)會(huì)獲得極佳的大氣視寧度(小于0.3角秒，見(jiàn)圖1)。

圖1 KL-DIMM望遠(yuǎn)鏡在2019年4月12日的視寧度測(cè)量結(jié)果

視寧度表征大氣湍流造成望遠(yuǎn)鏡成像抖動(dòng)的模糊程度，是光學(xué)紅外天文觀測(cè)臺(tái)址最重要的參數(shù)之一。視寧度數(shù)值越小，成像的角分辨率越高，望遠(yuǎn)鏡對(duì)暗弱天體的探測(cè)能力就越強(qiáng)。因此地面大型望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)需要選擇優(yōu)良的臺(tái)址。目前，世界上最好的臺(tái)址集中在夏威夷和智利，其平均大氣視寧度在0.6角秒左右。大氣湍流主要集中在近地面的邊界層，之上的自由大氣湍流就非常小。常規(guī)臺(tái)址邊界層厚度約數(shù)百米，而南極內(nèi)陸冰蓋由于其特殊的地理位置，大氣邊界層非常薄，將望遠(yuǎn)鏡架設(shè)在邊界層之上成為可能。我國(guó)在冰穹A已經(jīng)開(kāi)展的臺(tái)址測(cè)量表明，其邊界層全年中值只有約14米，是南極冰穹C的一半，但過(guò)去尚無(wú)對(duì)夜間視寧度的直接測(cè)量。

在國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，國(guó)家天文臺(tái)南極天文研究團(tuán)組開(kāi)展了冰穹A光學(xué)天文的臺(tái)址測(cè)量工作，研制了昆侖視寧度測(cè)量望遠(yuǎn)鏡KL-DIMM，在國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)大量低溫和野外測(cè)試后，兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡由我國(guó)第35次南極科考隊(duì)于2019年1月安裝在昆侖站，架設(shè)在為其定制的8米高的塔架上(見(jiàn)圖2)。自安裝調(diào)試結(jié)束后，KL-DIMM即開(kāi)始自動(dòng)觀測(cè)，已經(jīng)獲取了大量白天視寧度測(cè)量數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，即使在白天，也有很多時(shí)間可以獲得優(yōu)異的自由大氣視寧度。

圖2 南極冰穹A(昆侖站)現(xiàn)場(chǎng)的KL-DIMM望遠(yuǎn)鏡。

夜間視寧度的測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了冰穹A可能是地面上最好的光學(xué)天文臺(tái)址，目前兩臺(tái)KL-DIMM仍在持續(xù)自動(dòng)觀測(cè)，長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將可以為最終確認(rèn)冰穹A的天文觀測(cè)資源和我國(guó)南極天文臺(tái)大型望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

在KL-DIMM的研制中，有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)取得了重大突破。

首先是在南極極端環(huán)境下的望遠(yuǎn)鏡運(yùn)轉(zhuǎn)，冰穹A冬季最低可達(dá)-80℃，且無(wú)人值守，電力和網(wǎng)絡(luò)帶寬都極為有限。通過(guò)對(duì)赤道儀的改造，關(guān)鍵部件的主動(dòng)溫控設(shè)計(jì)等，首次實(shí)現(xiàn)了小型赤道儀在冰穹A冬季的運(yùn)行，將來(lái)能夠用于冰穹A其他小型望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行，并為大望遠(yuǎn)鏡提供借鑒。

更重要的是無(wú)人值守智能觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從觀測(cè)規(guī)劃、望遠(yuǎn)鏡指向、圖像獲取和保存、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果回傳的全自動(dòng)觀測(cè)。另有儀器狀態(tài)監(jiān)視和故障短信報(bào)警系統(tǒng)。特別地，由于KL-DIMM視場(chǎng)很小(約10角分)，而現(xiàn)場(chǎng)條件的限制使得望遠(yuǎn)鏡的安裝調(diào)試精度不可能太高，但是智能觀測(cè)系統(tǒng)通過(guò)閉環(huán)跟蹤、指向模型、利用尋星鏡導(dǎo)星等一系列手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的精確指向和跟蹤，并保證了連續(xù)24小時(shí)不間斷觀測(cè)。該智能觀測(cè)系統(tǒng)基于項(xiàng)目組在南極巡天望遠(yuǎn)鏡上積累的經(jīng)驗(yàn)，也可以拓展應(yīng)用于其他野外臺(tái)站的自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡。

此項(xiàng)目的合作單位包括天津師范大學(xué)、天津大學(xué)、南極天文中心和澳大利亞新南威爾士大學(xué)。研制和測(cè)試過(guò)程中得到了來(lái)自南京天光所、云南天文臺(tái)、新疆天文臺(tái)等單位研究人員的大力協(xié)助。南極現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施得到了中國(guó)第35次南極考察隊(duì)、中國(guó)極地研究中心和極地考察辦公室的大力支持。(何淼 聞佳琪)

關(guān)鍵詞： 天文臺(tái) 南極冰穹