曾因石油辉煌的冷湖，它的废墟正在见证一个世界级天文台的崛起 | 邓李才
2022/8/6 10:00:00 中国科普博览
如果这些望远镜都建成的话，这里将是全世界最漂亮的天际线。
我个人特别希望这个未来早日出现，而它实际上已经在来了。
邓李才 · 中国科学院国家天文台研究员
格致论道第72期
大家好，我是邓李才，来自中国科学院国家天文台。我是一位天文学家，但今天想和大家讲一讲地面上的事情，讲一个叫冷湖的地方。 
什么是冷湖呢？大家印象里冷湖似乎是在西北边陲地区。但实际上冷湖位于中国版图中心稍微偏西一点的地方。上面这幅地图中的红色标记显示的就是冷湖的位置。
20世纪50年代，人们在这个地方发现了石油，这里也因此拥有十万人为石油奋战的辉煌历史。石油资源枯竭以后，所有石油工人撤出，这里又恢复了往日的宁静，留下了一片令人赞叹的废墟。上图就是冷湖镇的废墟之一。
▲雅丹地貌和星空冷湖有着非常美丽独特的地貌。这个地貌是由风蚀塑造的，被称作雅丹地貌。这里还有地质学上公认的全世界最大的类火星地貌群。冷湖还有美妙的星空，这里的星空有多漂亮呢？通过这个短片大家可以感受到，这可能是在北京或者其他城市生活的朋友从未见过的景象。
Part.1
光学望远镜需要一个怎样的家我们前往冷湖，是出于发展中国未来光学天文，以及为大型天文望远镜找一个家的目的。
在21世纪的20年代，国际上天文望远镜的形势是：有若干台10米以上的光学望远镜，还有正在建造的三台30-40米的大型设备。中国的望远镜是什么情况呢？中国最大的望远镜，和国际上一代10米望远镜配套的辅助望远镜的口径是一样的，最大的口径只有2.4米，这种形势对我国来说非常紧迫。
那么，中国未来的大型望远镜到底需要放置在什么地方，怎样使用，才能取得最大成果？实际上，天文台址的选择要求很严苛：一是要看得见，即云覆量小；二是要看得透，即大气要稀薄；三是要看得真，即透明度好；四是要看得清，即视宁度好；五是要看得深，即无或少光害；六是要看得刁，即水汽含量低，此外还应有利于挖掘我国望远镜的独特视角；七是要尽量方便。因为天文设备都特别大，对后续资源的要求也高，所以在选址上应注重方便程度，以满足可达性及安全性高的要求。我先讲一下什么是视宁度。在座的很多小朋友都学过一首叫《小星星》的儿歌，其中有一句歌词是“一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星”。其实这里的“一闪一闪”不是星星的本质，而是大气对星光的扭曲造成的现象。
左图就是星光闪烁的情形。如果在这种条件下看月亮的话，月亮的环形山就会变得模糊起来，甚至给人一种抖动的感觉。实际上这是受到了视宁度的影响，是大气不够稳定的结果。
▲不同的视宁度观察木星上面四幅图展示了从视宁度很好的1角秒到视宁度很差的5角秒观察木星的图像，我们可以从中得到在不同视宁度下的直观感受。所以视宁度也是影响大众观星体验的一个相当大的因素，对天文观测更是非常重要。
▲是否消除视宁度的区别左图是一个星团，它的中央特别密集。以前，我们没有手段克服视宁度或者到大气外观测的时候，看到的星团是中间的这幅模糊的图像，但右边这幅消除了视宁度后的图像才是真实的场景。真实与“看见”之间的差别是巨大的。由于视宁度的影响，不仅我们看到的图像与感受很模糊，实际上科学家得到的结论也可能是南辕北辙的。 
▲从光害严重到光害极轻的地方看到的银河接下来我讲一下光害。城市里霓虹闪烁，非常美丽，这是人类社会进步的一种表现。但对天文学家来说，这却是一种危害，我们把它叫做光污染或者光害。光害对天文观测和观星都有很大影响，比如原则上在城市的中心、近郊乃至远郊，都没有机会看到上图最右那么美丽的银河。 
我国在过去几十年中发展了很多天文观测设备，也建立了一些台址。上图这个台址就是距离北京只有150多公里的兴隆观测站。这是在那里拍摄的流星雨，看起来星光还是挺灿烂的。但大家注意，在天际线附近的光污染是相当严重的。照片的中央其实是我国的第一个大科学工程LAMOST郭守敬望远镜，它的科学研究能力由于环境的原因受到了相当大的制约，以至于我们没有办法用它取得我们预期的科学成果。
▲美国夏威夷莫纳卡亚山：凯克望远镜与昴星团望远镜世界上有很多天文台，但在中纬度地区，我们认为只有三个是一流水平的。这是位于美国夏威夷群岛莫纳卡亚火山口上的大天文台。照片中除了灿烂的银河之外，还有左边两个10米的望远镜以及右边日本的8米望远镜。
智利北部阿塔卡马沙漠：欧南台甚大望远镜在南半球智利北部的阿塔卡马沙漠中有一大片非常好的区域，世界上68%的大型光学望远镜都落户在这里。这是欧洲的甚大望远镜，每个望远镜有8米。图中左边望远镜楼的边上有一个小小的设备，那是一个2米多的望远镜，它的口径跟我国最大的望远镜是一样的。 
除了上述两个天文台外，还有一个天文台在北非的外海，即西班牙的海外属地加那利群岛。
但是，这三个台址同处于地球的西半球，如果一个非常重要的天象发生在西半球的白天，而在东半球没有任何大型的天文台的话，我们就将失去借助这个天象得到的重大科学成果，这会是非常令人遗撼的。所以，全世界的天文学家都期望能够在东方、在欧亚大陆的某个地方找到一个合适的天文台台址。他们对青藏高原也寄予了很大的希望。冷湖这个地点的发现对于改变现在的格局是非常重要的。
Part.2
光学望远镜的“寻家”之路
让我们回到2016年，当时我国决定在“十四五”期间修建一个大型光学望远镜。为了这个望远镜，国家进行了很大的投入。但我们需要问一下：我们准备好了吗？我们有没有可以匹配这样一个大型设备的台址？
从2000年开始，天文界就进行了前瞻性的研究，在青藏高原进行选址。由于各种各样的原因，我们在青藏高原发现的候选台址后来一一被证实存在着一些不可克服的弱点。
冷湖跟其他几个候选台址一起进入了青藏高原科考者的视线。冷湖的晴日数，即每年日照数是3570多个小时，每天有将近10个小时的日照时间，天上没有云，晚上也很晴朗，这是非常好的观测条件。但是风沙这个因素，成为了冷湖能否作为天文台台址发展下去的瓶颈。
海西州政府与青海省政府通过科技厅给予了大力支持，所以我们得以在这里开展工作。2017年底，我受当地政府的邀请到冷湖考察，发现那里有一座高山——赛什腾山。沙尘是由于风把沙带起来而产生的，所以沙尘的密度会随着高度呈指数下降。我在2017年10月底到达这座高山的山脚，山脚下已经比柴达木盆地高出三四百米，而沙尘明显比下面小得多。所以我对在山上选址抱有很大的希望。这座山是一座处女山，从来没有人上去过，所以要到那里选址就需要修路，而修路就要花费很长时间。为了赶上国家12米光学望远镜建设的节奏，我们必须尽快完成选址。
当时海西州政府派了一架直升机，帮我们把选址所用的后勤物资和设备全部运到山上。因为有这架直升机，所以开始选址的时候我们是相当幸福的。当时这架直升机为了抢运我们的物资，每天飞了80个架次。对此，我的感触是，冷湖这个台址的建立是得益于政府的强力支持。但是政府的支持不是无限的，因为直升机非常昂贵。如果要长时间在山上进行观测的话，光靠直升机是不够的。所以每次要去选址点，我们都要背上20公斤的行李，然后爬升将近1千米，这是非常非常辛苦的。
上面是我们在一次爬山途中与帮我们运送物资的藏族同胞相会后一起拍的相片。他们的体力是真的好，我特别佩服、也特别感谢这些藏族同胞。这个是我们第一次上山航拍的视频，大家可以感受到这个山真的是无比艰险。我们当时走的路线刚好能放下两只脚这么宽，一边是悬崖，一边是陡坡，而且坡度还特别大。大家可以在视频中看到我们爬山的情景。我们在这座山上迈过的每一步，都是人类的第一次到达。到达山巅以后，我们感触良多。因为柴达木盆地的沙尘几乎是常态，但到了山上我们却看不见任何沙尘，天空非常蓝。
设备上山后，我们的第一个动作就是测量视宁度。视宁度原则上要在10米的高塔进行测量，但是建设这个高塔要花两个月的时间，所以我们就决定先在地面上做一次。当天晚上，我的同事杨帆一个人待在山上，在没有任何人陪伴，也没有任何后勤设施的情况下，他利用照片中的这台望远镜对当天的视宁度做了测量。第二天我上山之后，他告诉我他兴奋坏了，因为那里的视宁度只有0.8个角秒。
Part.3
一个世界级天文台址的出现
经过三年非常艰苦的努力，我们每个人都爬了几十趟山，采集了非常好的、非常连续的数据。
▲云量上图显示的是云量的数据。彩色的区域是每天晚上到第二天凌晨之间的时间，冬天长一点，夏天短一点。蓝色表示全天一丝云都没有，灰色可能是有一点云或者是阴天，红色是仪器没有电了或者坏了。所以数据表明，这个地方晴夜数是非常多的。
▲视宁度视宁度不是随时可以观测的，光看它的分布实际上意义不大。因此只要采样足够均匀，一年四季大概都是一种分布就可以。上图显示的是夜间视宁度的情况，蓝色部分表示非常好的视宁度，最低是0.4角秒。红色部分最高是1.5角秒。图中大片的蓝色表明山上的视宁度非常好。
▲ 沙尘沙尘是我们选址中面临的最大问题。为了论证这个台址是否可用，我们专门用了一台粉尘仪对山上的粉尘进行测量，同时我们还使用山下环保局监测的数据进行了比较。上图中红色的点是在冷湖测到的沙尘的情况，蓝色的点是山上的情况，数值越高的话表示空气质量越差。这个图是一个对数坐标，相差一个的格子就代表空气质量指数相差10倍。所以实际上山上的空气质量比山下要高一个量级。在国家标准的综合空气指数中，50以下是优秀，100以下是良好。山上的指数长期只有个位数，这表明山上的空气极好。
这是我们每天都可以看到的美景。在这张照片中，天文台上的几个望远镜已经开始基建，天际线那里有一条明显的分界线，那是柴达木盆地里面的浮尘和上面的星空之间的界限。 这个界限大概在3800米左右，而我们的台址在4200米，所以山上几乎不受灰尘的任何影响。
▲光害所有这些测量都说明冷湖是非常好的台址。但在光害方面，包括我国的天文台在内，国际上的大天文台从建设到最后使用，都经历了一个光害逐渐演变的过程。对此，我在德令哈已经有非常切身的体会：望远镜建设好了，光变坏了怎么办？冷湖的地方政府知道我们的担忧，所以在2018年出台了一个通告：冷湖全域将作为暗夜保护区来设置。这相当于给我们的选址和天文台将来的建设吃了一颗定心丸。所以我们彻底解决了光害的问题，这比美国的夏威夷、西班牙加那利群岛的拉帕尔马岛还有智利都做得要好。
经过三年艰辛，我们终于得到了可以判定这个台址质量的数据，并在2021年8月18日正式上线，发表在顶级科学期刊《自然》上。通过数据对比，从天文观测台址的专业的质量要求来看，冷湖基本上与国际上一流的几个台址是持平的。实际上在某些方面，比如看得刁的评价参数水汽含量上比其他台址更好。这也可以说明它是国际一流的台址，我们也更希望冷湖是全世界最好的天文台址。
Part.4
未来已来，冷湖不冷下面是海西州政府正在为我们修建的一条盘山路，它将建成一条8米宽的康庄大道。沿着登山的路径，已经有30台天文望远镜正在建设过程当中。这个路径终止在C点，C点现在有4个大型设备在建，其中中国科学技术大学的一个2.5米的望远镜将刷新我国望远镜口径的记录。在不远的7年以后，清华大学的一个6.5米的光学望远镜将落户赛什腾山。这样，冷湖将成为亚洲甚至国际上最大的天文台之一。
我再来展望一下未来。上图的前景是冷湖50年前的辉煌过后留下的废墟，它记录了以前的历史。再往远处看去就是赛什腾山，山上所有打标的地方都是我们将来建设天文台的台址点。白色的是我们正在建设的台址，包括从3800米开始的紫金山天文台的近地天体监测阵，那里大概有21台望远镜。因为近地天体对地球生命的威胁是最大的，所以我们需要对它进行监测。再往上是国家天文台的1米口径的太阳望远镜。在观测太阳里面它也属于大型望远镜，现在已经封顶了。再往上到4200米的地方有三个箭头，一个是中国科学技术大学的2.5米口径的望远镜；一个是国家天文台的1米口径的恒星观测望远镜；还有地质与地球物理研究所的两台望远镜，一台是刚完成安装的0.8米口径的望远镜，另一台1.8米口径的行星专用望远镜也将落户在那里。最上面的天际线是我们冷湖的未来，这里不仅包括我们要从兴隆搬过去的LAMOST望远镜，还有我国预计要建造的12米到30米大口径的望远镜，中间还有若干大学和其他科研机构建造的中型望远镜，即4-6米口径的望远镜。如果这些建成的话，这个天际线将是全世界最漂亮的天际线。我个人特别希望这个未来早日出现，而它实际上已经在来了。未来已来，冷湖不冷。谢谢大家!来源：格致论道讲坛本文已获转载授权，如需转载请联系原作者文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场
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