我国天文学家证实南极冰穹A为地面最佳光学天文观测台址
日期 2020-08-19  来源:数理科学部  作者:刘强 商朝晖

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图1. 工作现场照片(中间是DIMM的8米高的塔架,前面是15米高的多层大气参数测量塔KLAWS-2G,其数据也用于了这项研究成果)

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图2. 南极昆仑站2台冗余的视宁度望远镜及其8米高的塔架(安装时照片)

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图3. 夜间视宁度测量结果(峰值处表明自由大气视宁度的中值为0.31角秒,右侧较大的视宁度值来自边界层和过渡层)

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武汉大学中国南极测绘研究中心庞小平、王诗云提供原图

图 4 南极地图(显示冰穹A、C、F,以及南极点、中山站和泰山站)

      在国家自然科学基金项目(批准号:11733007、11673037、11873010)等资助下,中国科学院国家天文台商朝晖研究员团队和澳大利亚新南威尔士大学、加拿大不列颠哥伦比亚大学的科学家合作,首次测量并获得了南极昆仑站极佳的夜间大气视宁度,证明昆仑站所在的冰穹A地区的光学天文观测条件优于已知的其他任何地面台址。相关研究成果以“南极冰穹A夜间大气视宁度测量(Night-time measurements of astronomical seeing at Dome A in Antarctica)”为题,于2020年7月30日发表在《自然》(Nature)上,并由Nature做新闻发布。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2489-0。

  视宁度表征大气抖动对望远镜观测星象造成的模糊程度。在视宁度好(数值小)的条件下,对恒星进行观测时因为大气湍流带来的抖动比较小,所以照片上星象更加锐利清晰,尤其是观测暗弱的天体时效率更高。在视宁度优异的天文台,一台小口径望远镜的观测能力可以与其他地方的大望远镜相媲美。因此天文台的选址至关重要,而视宁度是最重要的参数之一。

  昆仑站所在的南极冰穹A地区的地理和大气条件表明,大气湍流主要在近地表的边界层,边界层之上的自由大气非常稳定,理论预计有很好的视宁度。该团队自主研制了极低温运行的昆仑视宁度望远镜KL-DIMM,于2018年11月参加中国第35次南极科考,赴海拔4093米的内陆昆仑站,2019年1月现场安装调试成功后立即投入观测,并实现无人值守的越冬长期全自动运行,获取了珍贵的夜间视宁度测量数据。数据表明,自由大气视宁度的中值只有0.31角秒,最佳值达到0.13角秒;在离地面8米的高度,就有31%的时间可以获得自由大气视宁度;在离地面14米的高度,有近一半的时间可以获得自由大气视宁度。相比较而言,同在南极的冰穹C的边界层高度中值在30米,比冰穹A难于获得自由大气视宁度。天文观测对成像质量要求极高,目前世界上最好的望远镜集中在夏威夷和智利北部优良的台址上,视宁度一般在0.6-0.8角秒。故冰穹A的天文观测条件优于已知的其他任何地面台址有望成为优秀的地面天文台址。

  研究成果首次用实测数据对冰穹A的视宁度进行了定量地科学统计和评估,确认了昆仑站有珍贵的天文观测台址资源,为我国进一步开展南极天文研究奠定了科学的基础;进一步证明了冰穹A的大气边界层很低,为望远镜和仪器的设计提供了科学依据,有利于未来的天文台工程建设和成本控制。