Nature：中國發現世界級天文和行星光學臺址——冷湖
地基光學觀測一直是天文學和行星科學不可或缺的重要探測手段。從1609年伽利略首次將自制的光學望遠鏡對準星空開始，天文和行星光學望遠鏡的口徑從幾釐米提升到了十米量級，我們能將行星看得更加清晰，也能看到更深遠的宇宙。但地基光學觀測受到我們頭頂大氣層的影響，大氣湍流嚴重干擾光輻射的傳輸，降低了光學觀測解析度，對於紅外光學觀測，還受到水汽吸收的干擾。因此，大型光學望遠鏡幾乎都集中在世界上少有的幾個地方，譬如智利的阿塔卡瑪沙漠、夏威夷的莫納凱亞山、西班牙的迦納利群島和南極的冰穹（Lawrence et al., 2004; Schöck et al., 2009; Ma et al., 2020），如圖1所示。可以看到，已有的光學臺址都分佈在西半球，整個東半球是個巨大的空缺。國際天文和行星科學界都寄希望在中國能找到世界級的光學臺址，特別是在“世界屋脊”青藏高原上。
圖1 世界主要天文臺址分佈圖
優良的光學臺址的主要衡量指標包括：
（1）高質量晴夜數——決定了每年的可觀測時間，使用全天空相機連續拍照，監測夜天空雲含量。
（2）天空背景亮度——決定了可觀測的最弱目標，使用天空質量監測儀（SQM: Sky Quality Meter）進行測量，並給出天頂方向極限星等。
（3）大氣穩定程度——決定了觀測影象的解析度，使用差分像移監測器（DIMM: Differential Image Motion Monitor; Sarazin and Roddier, 1990）對恆星目標進行觀測，計算星點彌散斑尺寸。
（4）位置、物流和基礎設施條件——決定了人員和大型設施能否到達，裝置長期運維是否有保障。
（5）暗夜星空的長期保護政策——決定了臺址的長期高質量發展。
指標（1）和（5）限定了臺址一般只能位於人煙稀少甚至無人區光汙染少的地方，比如廣袤的中國西部地區。青藏高原高海拔和人口稀少的優勢，一直被國際和國內天文與行星科學界寄予厚望。中國天文界曾組織開展了西部選址專案，通過歷史氣象資料分析（日照、降水）和實地勘測等，初步發現了一些候選臺址，如四川稻城、西藏阿里、新疆慕斯塔格等，但都存在不同程度的不足之處，如水汽含量、光汙染、可到達性等（Stone, 2010; Feng et al., 2020）。冷湖也很早進入了天文選址的視野，因為這裡除了夜空晴朗和日照充沛之外，還具有比上述地區更優越的交通便利和區域安全。但冷湖地區位於柴達木盆地北緣，存在大面積的風蝕地貌，且比鄰塔克拉瑪干沙漠，對風沙的擔憂使得前人將這個地區排除在了潛在天文臺址的佇列之外。但是，這個結論是在沒有人實際到達的時代預估的。
2017年底，冷湖行委為尋求經濟發展轉型，依託星空資源發展文旅，邀請國家天文臺鄧李才研究員赴冷湖考察，首次踏勘了位於冷湖東部的賽什騰山，壯美絢麗的星空令人震撼（圖2，圖3）。方圓百公里的無人區，使得這裡幾乎無光汙染，非常適合建設天文臺。
圖2 冷湖天文觀測基地地理位置
圖3 賽什騰首次踏勘實景，由24幅手機照片拼接（供圖/國家天文臺鄧李才）
2018年，海西州政府決定由州財政支援，啟動冷湖天文選址專案，對臺址引數進行全方位監測。在道路未達到賽什騰山頂前，海西州政府為了保障選址順利開展，投入巨資把基礎資料測量需要的裝置和基建材料用直升機吊運上山，安裝在4200米臺址點。經過歷時3年的連續監測，研究團隊（國家天文臺、紫金山天文臺、西華師範大學和地質與地球物理研究所）獲得了關於賽什騰山臺址區域的各種引數，包括大氣總視寧度、天光背景、晴夜數量、氣象、大氣湍流和可沉降水汽的大量資料，並將分析研究結果發表在Nature（Deng et al., 2021）。
冷湖臺址區域的優質晴夜時間（可開展精密光度測量）佔比達70%，外加大約15%的部分有云的光譜觀測時間，每年觀測可用的時間達300天。夜間可沉降水汽柱密度在2毫米以下的時間佔比優於美國的夏威夷天文臺（54%），遠優於智利和其它地區的大型光學天文臺。對於光學觀測而言，大氣視寧度無疑是最受關注的臺址引數。賽什騰山4200米臺址點的大氣視寧度中位值0.75角秒（如圖4），與夏威夷持平，優於智利和其它地區的大型光學天文臺，包括青藏高原上其他的臺址普查點。夜間臺址點氣溫起伏（峰谷差）中位值僅為2.4攝氏度，這也意味著地面層的大氣非常穩定。所有這些臺址引數都證明冷湖賽什騰山是世界一流的光學臺址，成為我國為全世界貢獻的天文和行星科學的戰略資源。
圖4 冷湖臺址大氣視寧度統計直方圖（Deng et al., 2021）
目前，已有若干光學望遠鏡與青海省地方政府簽約落戶。國家天文臺、紫金山天文臺、地質與地球物理研究所、中國科技大學、南京大學、西華師範大學的望遠鏡專案已經處於基礎建設階段。特別是地質與地球物理研究所冷湖行星地質觀測中心口徑分別為0.8米PAST望遠鏡和1.8米TINTIN望遠鏡（何飛等，2021），將分別在2021年9月和2023年初建成，成為我國首個地基行星光學觀測中心和行星科學實習基地，有力支撐我國行星科學的科教融合發展。
主要參考文獻
何飛，堯中華，魏勇. 冷湖行星光學遙感發展與展望[J]. 地球與行星物理論評，52(4): 361-372 (2021)
Deng L, Yang F, ChenX, He F, et al. Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomicalobserving site[J]. Nature, 2021.
Feng L, Hao J X, Cao ZH, et al. Site testing campaign for the Large Optical/infrared Telescope ofChina: overview[J]. Research in Astronomyand Astrophysics, 2020, 20(6): 80-94.
Lawrence J S, Ashley MC B, Tokovinin A, et al. Exceptional astronomical seeing conditions above DomeC in Antarctica[J]. Nature, 2004, 431: 278-281.
Ma B, Shang Z, Hu Y,et al. Night-time measurements of astronomical seeing at Dome A inAntarctica[J]. Nature, 2020, 583(7818): 771-774.
Sarazin M, Roddier F.The ESO differential image motion monitor[J]. Astronomy and Astrophysics, 1990, 227: 294-300.
Schöck M, Els S,Riddle R, et al. Thirty Meter Telescope site testing I: overview[J]. Publications of the Astronomical Society ofthe Pacific, 2009, 121(878): 384.
Stone R. Astronomershope their prize telescope isn’t blinded by the light[J]. Science, 2010, 329 (5995): 1002.
(撰稿：何飛/地星室)
校對：劉淇郡
