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南极巡天为我国天文学提供机遇
2010-08-10| 【 【打印】【关闭】

 南极昆仑站为中国南极天文台建设提供保障。图片提供:冯珑珑
 □本报记者 潘锋 

 

国际上天文学正步入一个黄金时代。未来5~10年,一批先进的大型天文设备的投入运行,将极大推动对宇宙根本问题的研究并有可能在暗物质等领域实现重大突破。出席日前在京举行的以“南极冰穹A的天文学和物理学”为主题的第371次香山科学会议的专家指出,在南极冰穹A建设天文台对我国乃至世界天文学的发展都具有重大意义,将推动中国天文学研究快速步入国际天文学研究最前沿。 

独一无二的宝地 

会议实行主席、中国科学院紫金山天文台研究员杨戟先容说,天文学核心竞争力源自观测手段的先进性,当今国际天文观测的发展趋势是追求大视场、高灵敏度、高分辨率和全波段覆盖,高性能的观测设备要通过安顿在优良的台址来实现。比如,美国夏威夷的天文台和智利高原上的天文台都是国际上重点建设的优良台址。或者,人们花费更大的代价将天文望远镜送入太空。而南极冰穹A在地球上有着独一无二的观测优势,已成为国家天文发展重点关注的宝地。我国南极科考队最先到达了冰穹A,使得我国拥有了优先建立天文观测站的机会。 

中国科学院南京天文光学技术研究所研究员崔向群先容,南极内陆高原的优势是:有极好的自由大气视宁度,这是南极之外任何台址都无可比拟的;近地层高度低;水气含量低,红外背景辐射少,特别适合开展红外和亚毫米波天文学和仪器的研制;大气透过率高;等晕角大,相干时间长,是开展光干涉和自适应光学的理想场所;风速小,地震少:利于简化望远镜的设计,降低望远镜的造价;空气干燥、尘埃少,大大减小了望远镜的镀膜次数, 提高光学观测效率。 

南极内陆冰穹高原是公认的在地球上进行天文观测的优秀台址,已吸引多国科学家在此开展天文学研究。目前,国际上在南极内陆的天文项目和计划包括:美国在南极点的科考站已经建成10米毫米波/亚毫米波望远镜SPT,并开始观测。法国和意大利在冰穹C已经建成并开始运行2.6米毫米波望远镜COCHISE,并正在建造80厘米红外成像望远镜IRAIT等。在冰穹F,日本正在建造一架40厘米红外望远镜和一架30厘米太赫兹望远镜等。 

与会专家指出,在南极冰穹A开展中国南极天文研究,不仅可以通过国际合作引进国外先进的观测设备和技术,更重要的是有利于发展我国自主创新的尖端技术和建造我国自主研制的一流天文观测设备,对我国航天、通讯和深空探测具有重要意义。发展南极天文是21世纪中国天文学和物理学的一个重大机遇,中国南极天文台的建成将为中国在天文学、基础与高能物理学等相关领域达到国际领先地位提供重大机遇。 

提供全新科学发现 

宇宙的第一缕曙光何时出现?暗物质和暗能量的实质是什么?生命是怎样起源的?……进入21世纪,这些天文学和物理学最核心的问题,成为世界各国科学家研究的热点。中科院紫金山天文台研究员王立帆在评述报告中指出,经过科学家们的归纳,南极天文台的核心科学目标概括为 “2暗、1黑、3起源”。即“暗能量”、“暗物质”、“黑洞”、“宇宙起源”、“天体起源”和“生命起源”,解决其中任何一个问题都将导致物理学和天文学的革命。 

王立帆说,未来5~10年内南极天文的独特科学机遇包括:深度光学巡天,利用弱引力透镜效应和超新星巡天等多种手段,揭示宇宙暗能量和暗物质的性质。深度红外和太赫兹巡天,最终展现目前尚未探测到的早期高红移天体和宇宙。高精度测光,利用微引力透镜搜寻地外行星,探索地外生命的起源。高时间分辨率时域天文学,详尽研究各种周期光变和瞬变天体。太赫兹地面新观测窗口,为人类提供全新的科学发现。 

王立帆先容说,南极冬季为需长时间观测的时域天文学提供了独特的机遇。以超新星为例,超新星宇宙学有赖于长时间对固定天区的深度曝光。目前的超新星数据还远远没有实现超新星宇宙学所具有的对宇宙学参数的功能。建设南极天文台将在不同红移波段实现对超新星的发现和多波段长期监测。计划中的巡天,将在几个不同天区发现大约1万个左右的超新星。对超新星的观测可以有助直接探索宇宙第一代恒星的形成和演化。 

与会专家还认为,南极天文台建设有着重要的战略意义,比如可以在南极冰穹A开展空间碎片监测预警,与北半球形成完整的全天空覆盖;带动太赫兹、红外成像等尖端技术,促进耐低温的大口径望远镜,海量数据传输与处理技术等高技术的发展。 

特殊的技术挑战 

与会专家认为,在南极天文台建设方面还面临诸多特殊的技术挑战。 

崔向群说,南极内陆高寒缺氧不易接近的环境给光学/红外望远镜的研制、安装和运行带来了技术挑战。由于其特殊的环境和不宜居住,建造望远镜的难度介于地面天文台和空间台之间,具有特殊的技术挑战,如大镜面除霜、镜面镀膜、电路系统的温控和可靠性、望远镜的全自动遥控等。 

除设备研制和南极运行的极端环境以外,科学数据的分析也面临挑战。南极冰穹A规划中的光学近红外2.5米望远镜计划实现大视场高分辨率的多色巡天,其像素将达数十亿,获得的数据预计会超过10亿兆字节。实时监测成像质量,自动探测超新星等变源,巡天完成后处理海量数据,生成高质量的星表并进一步分析,最终实现科学目标的整个数据处理、数据分析的过程都将是必须面对的挑战。 

与会专家希翼5年内可以建立一个永久的天文观测平台,建造2.5米光学红外望远镜和5米太赫兹望远镜,开展多项前沿领域的天文研究,完成南极天文台的初期建设。这个天文台的建设目标是:具备准空间的探测性能,天文观测设备可以无人值守、全自动现场运行,能够远距离远程操控和调度控制,数据现场存储并部分实时传回等。展望未来,10到15年内,建立一个以重大科学目标为核心的天文台,配备6~8米光学红外望远镜和15米太赫兹望远镜。“中国南极天文台初期的建成将使中国在天文学、基础科学与高能物理学等相关领域达到国际先进水平。”杨戟说。 

《科学时报》 (2010-8-10 A2 要闻)

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