為什么要去南極看星星

蔣芳++蔡玉高

南極，是地面上探索“兩暗一黑三起源”的理想地點(diǎn)

1609年，伽利略用風(fēng)琴管作鏡筒，兩端嵌入凸透鏡和凹透鏡，制成一架口徑4厘米的望遠(yuǎn)鏡，由此成為人類歷史上把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)茫茫太空的第一人，并推動了人類認(rèn)識宇宙的第一次飛躍。

上世紀(jì)90年代開始，不斷升溫的南極科考，將人類認(rèn)識宇宙的視角引入這塊極寒之地。這塊不適合人類居住的大陸，是否有可能成為推動人類認(rèn)識宇宙又一次飛躍的跳板呢？

極寒之地成天文“熱土”

人類為什么要去南極看星星？

普通青年說，那里的星空特別純凈;文藝青年說，那里的星星“不眨眼”;科學(xué)青年說，那里是地球上最接近太空的地方，特別適合探測宇宙誕生初期產(chǎn)生的極短波長的輻射……

“如果你不到南極，那就只能上天了！”中國科學(xué)院院士、南極中心副主任崔向群說。

本世紀(jì)全球天文學(xué)最具挑戰(zhàn)性的基本科學(xué)問題概括為“兩暗一黑三起源”，即暗能量、暗物質(zhì)，黑洞，宇宙起源、天體起源、生命起源。南極，是地面上探索這些問題的理想地點(diǎn)。

這個人工光源干擾最少的地方，每年有135天連續(xù)全黑夜，而且晴天時間高達(dá)90%以上，很容易實(shí)現(xiàn)4個半月的連續(xù)觀測而且達(dá)到相應(yīng)的科學(xué)目標(biāo)，即探測系外行星和測星震等。

這片特殊的土地還有諸多優(yōu)點(diǎn)有利于天文觀察。

比如，南極大氣環(huán)境可以與太空媲美。南極冰穹A大氣稀薄、冷、干燥、塵埃少，可以媲美太空環(huán)境，對諸多類型的望遠(yuǎn)鏡來說，都是地球上最佳的地面觀測站址。

再如，南極大氣湍動少，自由大氣視寧度好。以冰穹A為例，平均風(fēng)速低于2米/秒，超過4米/秒的風(fēng)的情況極少，適合放置大型望遠(yuǎn)鏡陣進(jìn)行光干涉成像觀測等。

此外，南極是天空視角最大的地點(diǎn)，比地面其他地方適合天文觀測，可以極大提高觀測效率。

然而，完美的冰穹A址卻也有著與之并存的殘酷。

李正陽，一個曾經(jīng)兩次造訪南極從事科考的中國年輕天文學(xué)家。他告訴本刊記者，整個南極大陸永久性覆蓋平均厚度達(dá)2000多米的冰蓋，到處是冰，無路可走，最低氣溫達(dá)到過零下80多攝氏度。

“你在這里邁出的每一步都可能是人類在這里的第一步，也可能是你的最后一步。”李正陽說，“尤其是從中山站到昆侖站途中，80%是兩種天氣，一種叫啥也看不見，另一種風(fēng)吹得你啥也看不見。走一個星期，依舊是白茫茫，天地連成一片，沒有任何參照物，只能依靠GPS導(dǎo)航、冰雷達(dá)掃描艱難行進(jìn)?！?/p>

美國國家科學(xué)基金會“南極天體物理學(xué)和地球空間科學(xué)”項(xiàng)目的主管弗拉基米爾說：“南極是一塊只專注于科學(xué)的大陸。在那里工作非常艱苦，環(huán)境條件存在許多限制，但同時也使一些特殊的科學(xué)研究成為可能?！?p>

2015年3月3日在中國南極中山站拍攝到的極光

為認(rèn)識宇宙打開“機(jī)會窗口”

過去數(shù)十年里，南極的天文觀測站已經(jīng)為天體物理學(xué)的前沿研究作出了很大貢獻(xiàn)。

1998年底，美國毫米波段氣球觀天計劃利用漂浮在南極洲上方的氣球作為載體，搭載望遠(yuǎn)鏡拍攝到當(dāng)時最為清晰的初期宇宙照片，發(fā)現(xiàn)宇宙是平坦的。

更具代表性的例子是，利用美國南極長周期氣球項(xiàng)目，經(jīng)過10年觀測研究，中科院紫金山天文臺研究員常進(jìn)與美國、俄羅斯、德國等國科學(xué)家在高能電子觀測方面取得重大研究成果——《宇宙電子在3000億～8000億電子伏特能量區(qū)間發(fā)現(xiàn)“超”》。如果這一成果被進(jìn)一步證實(shí)，則有可能是人類第一次發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子湮滅的證據(jù)，將是現(xiàn)代物理學(xué)的重大突破。為了進(jìn)一步追尋暗物質(zhì)的蹤跡，常進(jìn)的科研團(tuán)隊提出了研制“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”計劃，得到科技部和中科院的支持。2015年，名為“悟空”的暗物質(zhì)衛(wèi)星已經(jīng)升空。

南極給人類的驚喜不會就此止步?？茖W(xué)家經(jīng)實(shí)地觀測發(fā)現(xiàn)，在南極進(jìn)行天文觀測，就好比在太空中架設(shè)望遠(yuǎn)鏡，這里不僅比其他地點(diǎn)看得更遠(yuǎn)、更清楚，而且高分辨率、大視場、寬波段兼具的優(yōu)勢，也有望打開人類探索宇宙的全新“機(jī)會窗口”。

2005年，我國科學(xué)家登上冰穹A，并在該區(qū)域建立了昆侖站。隨后一年，天文學(xué)家在冰穹A設(shè)立了4個通光口徑14.5厘米的望遠(yuǎn)鏡陣列，也就是第一代中國南極小型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡陣CSTAR，又稱“中國之星”;隨后又開始了南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3的建設(shè)，在此基礎(chǔ)上，我國第三代望遠(yuǎn)鏡2.5米口徑昆侖暗宇宙巡天望遠(yuǎn)鏡KDUST和5米口徑的太赫茲望遠(yuǎn)鏡DATA5的籌建均已列入國家規(guī)劃。

中國科學(xué)院紫金山天文臺臺長楊戟說：“除了太空，地面上沒有第二處地方可以像南極這樣實(shí)現(xiàn)對太赫茲波段的觀測了。新波段帶來的意外發(fā)現(xiàn)必將推動我國乃至世界天文學(xué)觀測及研究邁上新臺階。如果說射電波段是為地面天文觀測撕開了一條縫隙的話，太赫茲波段觀測則打開了一扇更為寬廣的‘窗口！”

與之相似的，K波段也是南極天文觀測的一雙新眼睛?！癒DUST巡天望遠(yuǎn)鏡建成后，其對紅外光的觀測將彌補(bǔ)哈勃望遠(yuǎn)鏡的不足，彌補(bǔ)全球望遠(yuǎn)鏡的觀測空白。尤其是在南極冬季的極夜，能夠輕易實(shí)現(xiàn)上百天連續(xù)熱紅外K波段的觀測。而AST3望遠(yuǎn)鏡第三臺準(zhǔn)備做K波段，通過觀測宇宙遙遠(yuǎn)天體的紅移，有助于暗能量的研究?！敝袊蠘O天文中心主任王力帆說。

是人類關(guān)切，也是創(chuàng)新源頭

早在2300多年前，中國偉大的詩人屈原就發(fā)出了“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？”的著名“天問”。公元前13世紀(jì)甚至更早，中華民族的先人就建立了天文臺，我國至今仍保存著世界上歷時最長、最完整的天象記錄。

現(xiàn)代天文學(xué)最重大的課題——“兩暗一黑三起源”，則是追求探索其中隱藏著的有關(guān)宇宙起源和生命起源的終極答案。

“毫無疑問，宇宙和生命的起源與演化是全人類共同關(guān)心的重大問題，同時也是高技術(shù)的創(chuàng)新源頭之一，能對基礎(chǔ)科學(xué)乃至人類文明進(jìn)步帶來現(xiàn)實(shí)的和長遠(yuǎn)的影響?！贝尴蛉赫f，“比如，由光學(xué)天文發(fā)展起來的激光導(dǎo)星、自適應(yīng)光學(xué)、非球面光學(xué)、光量子探測，以及大數(shù)據(jù)處理挖掘技術(shù)等，在國民經(jīng)濟(jì)和國防安全方面都有廣泛的應(yīng)用?！?/p>

令人欣喜的是，天文學(xué)不斷成為世界各國科學(xué)家合作的樂土。曾經(jīng)去過南極冰穹A的南京天文光學(xué)技術(shù)研究所副所長宮雪非介紹說，我國在冰穹A建設(shè)昆侖站，不但在國際天文界樹立了中國天文學(xué)的地位，而且吸引了澳大利亞、美國等國際合作者。