他們腳踏幾千米高原，只為多仰望星空一眼 | 天問專欄
?仰望星空，攝影：王卓驍
編者按：
就在今夏，來自清華大學(xué)物理系的幾個(gè)小伙兒，收拾行囊，遠(yuǎn)赴青藏高原，只因一份共同的好奇心。在那片最接近穹頂?shù)牡胤?，有一些常被稱為“蒼穹之眼”、也是人類得以一窺深邃宇宙的“眼睛”——天文望遠(yuǎn)鏡。同時(shí)，在每一架望遠(yuǎn)鏡背后，更有著一直堅(jiān)守著的人們。他們也代表了中國天文觀測的過去、現(xiàn)在和未來。
這支清華大學(xué)物理系赴青藏天文臺實(shí)踐支隊(duì)究竟看到了什么？天問專欄第十一期，帶你走進(jìn)高原之上的那些“蒼穹之眼”。
撰文 | 清華大學(xué)物理系赴青藏天文臺實(shí)踐支隊(duì)
責(zé)編 | 呂浩然
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今天，現(xiàn)代天文學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)嶄新的高度。
隨著LIGO成功探測到引力波的存在并隨之?dāng)孬@諾貝爾獎、國內(nèi)FAST建成并投入使用，公眾對于天文學(xué)的關(guān)注程度不斷提高。但是，當(dāng)所有人的目光都集中在這些明星設(shè)備的高深且意義重大的成果的時(shí)候，你是否會想到，這些觀測設(shè)備的維護(hù)和觀測數(shù)據(jù)的獲取皆需要一大批天文工作者工作幾十年，甚至一輩子。
他們的工作比起名聲赫赫的天文學(xué)家們可能顯得默默無聞，甚至有些枯燥乏味，但是正是因?yàn)樗麄兊墓ぷ?，才使得天文學(xué)家們得以了解星空中的每一點(diǎn)細(xì)節(jié)。他們的工作，可以說是天文學(xué)研究的基石。
我們想去了解他們的工作和生活。于是，幾個(gè)同學(xué)一拍即合——清華大學(xué)物理系赴青藏天文臺實(shí)踐支隊(duì)?wèi)?yīng)運(yùn)而生。就在今年的暑假，我們來到了可稱得上全國天文臺站里條件最艱苦的地方——青藏高原。
青海德令哈觀測站——四十年前的艱難起步
青藏高原惡劣的氣候條件在我們到達(dá)西寧的第一天就感受到了，雖然三千多米的海拔并不算非常高，但正值夏天，干燥的氣候和高原缺氧的環(huán)境還是給了我們一個(gè)“下馬威”。剛上高原的幾天，幾乎每晚都會因?yàn)榭诟煽市?，睡眠質(zhì)量嚴(yán)重下降；到了白天，高原反應(yīng)導(dǎo)致的頭疼、無力更是雪上加霜，別說跑步，就連走路也是氣喘吁吁。
然而，正是這樣的氣候條件，卻給天文觀測帶來了很大便利。青藏地區(qū)較高的海拔使得來自外太空的電磁信號更容易穿過更薄的大氣到達(dá)地面，干燥的氣候也使得空氣中水蒸氣減少，從而降低水蒸氣對于信號的吸收。同時(shí)，這里一年中雨雪天氣的占比很低，從而保證大部分時(shí)間都可以進(jìn)行觀測。
正是這些得天獨(dú)厚的便利條件使得青藏地區(qū)成為天文觀測的優(yōu)良臺址。然而，在那的實(shí)地探訪卻也讓我們體會到，在高原之上建立一座觀測站并長期維持觀測是多么的艱辛。
我們首先來到的是德令哈市，這里坐落著青藏高原上規(guī)模最大、設(shè)施最完善的觀測站——中國科學(xué)院紫金山天文臺青海德令哈觀測站。
?圖1：中國科學(xué)院紫金山天文臺青海德令哈觀測站外景
雖然天文臺隸屬德令哈市，但它的確切位置距離德令哈市區(qū)仍有將近80公里。抵達(dá)的第二天一早，我們就乘坐通勤車奔赴觀測站。由于正在修路，通勤車顛簸了近一個(gè)半小時(shí)才到達(dá)目的地。一路上的礫石顛得我們十分反胃，但車上的工作人員卻好像都已習(xí)慣了顛簸，居然能夠安然睡去。坐在他們旁邊，心中說不出的，只有感動和敬佩。
直到荒涼的戈壁盡頭出現(xiàn)了幾個(gè)白色的圓球——毫米波射電望遠(yuǎn)鏡（注：毫米波是射電波段中波長最短的波段），我們才意識到這段顛簸即將結(jié)束。然而，在汽車駛?cè)胗^測站之前，德令哈觀測站的巨秉剛站長就讓我們將手機(jī)轉(zhuǎn)為飛行模式。這是由于觀測站射電望遠(yuǎn)鏡的后端設(shè)備所用的傳輸頻率和手機(jī)通訊頻率相近，手機(jī)信號可能會對觀測造成干擾。
巨站長帶著我們參觀了整個(gè)望遠(yuǎn)鏡，并對觀測站的歷史、現(xiàn)狀都做了介紹。德令哈站以一架13.7米口徑的毫米波段射電望遠(yuǎn)鏡為主要設(shè)備，這對于我們來說稱得上是一個(gè)龐然大物，沿著豎梯爬到饋源所在的平臺也需要不少勇氣。
望遠(yuǎn)鏡被一個(gè)球形外殼包圍，主要用于抵御時(shí)長肆虐的大風(fēng)，然而球殼表面的組成材料Gore-Tex又會讓毫米波完全透明通過。望遠(yuǎn)鏡口徑13.7米，主要工作頻段為85-115GHz，大約為手機(jī)相應(yīng)頻段的100倍。來自外太空的信號經(jīng)過鏡面反射后進(jìn)入放置在液氮中的接收機(jī)，通過功率放大、降頻后進(jìn)入頻譜儀生成頻譜信息。
由于原子、分子在躍遷的時(shí)候都會發(fā)出特定頻率的電磁波，所以通過這些頻譜信息，天文學(xué)家們可以了解宇宙各個(gè)位置的元素信息，從而實(shí)現(xiàn)對于分子氣體的探測。天文學(xué)告訴我們：分子云是恒星誕生的場所，所以此類望遠(yuǎn)鏡對恒星形成的研究非常重要。
青海德令哈觀測站1982年開始選址，1990年建成。從望遠(yuǎn)鏡建成到現(xiàn)在的幾十年里，青海觀測站的“前線”與位于南京的紫金山天文臺總部各個(gè)研究所的“后方”密切配合，一直在對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行升級。
現(xiàn)在的望遠(yuǎn)鏡，分頻系統(tǒng)可以同時(shí)接收三個(gè)頻率的信號，九個(gè)接收機(jī)形成陣列。通俗來講，望遠(yuǎn)鏡就像擁有幾十雙眼睛，可以在三個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)掃描完成一塊天球上30’×30’（滿月時(shí)月亮的直徑為30’）立體角單元格。
這樣高的效率也使得大規(guī)模的巡天計(jì)劃得以實(shí)現(xiàn)，也就是望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)在正在進(jìn)行的“銀河畫卷”計(jì)劃，即利用CO氣體得到銀河系軌道面上分子氣體的分布，從而可以了解分子云在銀河系的分布、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。這就像是位銀河系繪制一張彩色的地圖，憑借這張地圖，天文學(xué)家們就可以準(zhǔn)確找到恒星誕生的場所并進(jìn)行深入研究，因此了解宇宙誕生和演化的秘密。
除了銀河巡天，觀測站也會接受天文學(xué)家單獨(dú)申請的觀測時(shí)間，按照他們的要求完成觀測任務(wù)。站上現(xiàn)有的設(shè)施除了13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡以外，還有國家天文臺的兩臺望遠(yuǎn)鏡、墨子號地面站和一些短期放置在此的設(shè)備。
德令哈站的設(shè)施算是比較齊全的，除了觀測設(shè)備、辦公室，這里還有條件不錯(cuò)的宿舍和食堂。目前，觀測站共有工作人員近40人，除了巨站長，我們還與那里的工程師和后勤聊了一些。這些工作人員大多都是建站選址之初就來到了這里，其他一大部分也是大學(xué)畢業(yè)就到這里工作，沒再動過地方。
回憶起建站之初，那個(gè)時(shí)候沒有電、沒有水，基建的時(shí)候只能頂著大風(fēng)住帳篷。但是讓我們很驚訝的是，問起他們到這里來的原因，大部分的回答皆是在當(dāng)時(shí)沒有更好的選擇。雖然也知道這里條件艱苦，但是來到這里之后，仍堅(jiān)持了下來，至今也都在這邊成家。他們現(xiàn)在每天的工作大抵就是看看數(shù)據(jù)、修修設(shè)備，還要適應(yīng)經(jīng)常的值夜班。然而就是這些在我們看來艱苦且枯燥無味的工作，他們卻已經(jīng)堅(jiān)持了幾十年。
未來會怎么樣？大家也都沒有一個(gè)具體的藍(lán)圖。后勤老師傅也坦言，現(xiàn)在是越來越難招到年輕的后勤人員了。畢竟，如今的年輕人，都喜歡往大城市跑；又有多少會愿意駐守在這環(huán)山荒野之中呢？看著窗外，像畫作一般靜止的景色，再看看眼前這位已經(jīng)年過花甲的老人，我們每個(gè)人都陷入了沉默。
西藏羊八井觀測站——摸索前進(jìn)中的中國天文觀測
乘坐傍晚的班車回到市區(qū)，我們與德令哈道別了。火車把無盡的荒漠甩在身后，跨過海拔5100m的唐古拉，我們進(jìn)入真正的藏區(qū)——拉薩。
在拉薩的那幾天是那里難得的陰天，我們得以擺脫了惱人的紫外線。修整后，我們奔赴此次實(shí)踐的另一個(gè)目的地——羊八井，那里不僅僅有溫泉和地?zé)?，還有國家天文臺羊八井觀測站。
2009年前后，中國科學(xué)院國家天文臺與德國科隆大學(xué)合作，將一座亞毫米波段射電望遠(yuǎn)鏡——中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（CCOSMA）引進(jìn)至青藏鐵路沿線的西藏羊八井鎮(zhèn)，并以其為核心建立了羊八井天文觀測站。
?圖2：實(shí)踐支隊(duì)與羊八井觀測站工作人員在CCOSMA前合影
由于引進(jìn)自國外，CCOSMA的技術(shù)比較先進(jìn)。望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑3m，由18塊鋁板拼接而成。每個(gè)鋁板下方的支架會因重力自動微調(diào)每塊板的位姿，從而消除鋁板自重造成的形變誤差，這使得望遠(yuǎn)鏡具有很好的面板精度和指向精度。望遠(yuǎn)鏡光路采用納焦式，饋源后方有三個(gè)焦點(diǎn)，放置了兩套國內(nèi)最先進(jìn)的高頻接收機(jī)。CCOSMA主要用來探測高頻分子譜線，其中也以CO同位素高頻譜線的示蹤為主。
正好羊八井站的李建斌站長前一天剛剛到拉薩，正要去站上，我們便和他一同搭車前往。路上，李站長和我們聊了很多，從天文觀測的基本常識，到羊八井站的狀況、他自己的經(jīng)歷再到中國天文事業(yè)的未來。
羊八井站的海拔在4600m左右，環(huán)境相較于德令哈更為惡劣，尤其是冬天的氣候更加寒冷、干燥，所以現(xiàn)階段只有兩名工作人員長期駐站。整個(gè)觀測站以CCOSMA為主，僅有幾間平房，連大門都沒有。房間里床鋪、電爐、鍋碗瓢盆一應(yīng)俱全，不問便知道工作人員不僅僅是技術(shù)大牛，也一定是個(gè)好廚子?！斑@板凳就是我們自己做的?！崩钫鹃L笑著指著地上的板凳，驕傲地說道。確實(shí)，如此艱苦的生活條件，想必也一定練就了駐站人員的一身“武藝”。
這里的冬季過于干燥且氧氣不足，所以每年可以用來調(diào)試和觀測的時(shí)間也只有幾個(gè)月。由于觀測站還處于建設(shè)的過程中，李站長也需要長期在北京和羊八井兩地之間奔波。按照他的話說，就是“一會缺氧、一會醉氧，到哪都困”。但是至今，工作人員已經(jīng)完成了對望遠(yuǎn)鏡的大部分調(diào)試工作，并且成功解決了望遠(yuǎn)鏡的各種問題，“預(yù)計(jì)馬上就可以對國臺內(nèi)部開放觀測，明年即可正式對所有天文學(xué)家開放?！崩钫鹃L表示。
在工作人員中還有位清華的學(xué)長，名叫關(guān)欣，他本科在清華，研究生去了北大，后來又去德國深造，回國后就在羊八井站長期駐站。在這樣高寒荒涼、空氣稀薄的高原，他卻顯得十分平靜與滿足，更是對于自己從事的天文工作充滿了熱愛與激情。的確，我們在青藏高原上遇到的每一個(gè)天文工作者，他們的一個(gè)共同點(diǎn)就是他們的熱情。
可能許多天文工作者都是在機(jī)緣巧合之下走上了天文這條路，然而，這條路卻并不平坦，但他們卻越走越遠(yuǎn)、越走越來勁，這大概就是天文的魅力。
西藏阿里天文臺——中國天文觀測的未來
告別了留在站上繼續(xù)工作的李站長，我們也告別了羊八井，乘坐第二天一早的飛機(jī)，飛向另一片遙遠(yuǎn)而未知的地域——西藏阿里。這里可能是中國最神秘，也是最難到達(dá)的地方，但是在阿里獅泉河鎮(zhèn)南邊的高山上，卻坐落著中國天文的未來——國家天文臺阿里站。
自2003年起，國家天文臺開始籌劃建設(shè)大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，隨即展開了在全國范圍內(nèi)的選址工作。歷經(jīng)十幾年考察觀測，位于祖國西南邊陲的西藏阿里地區(qū)在眾多方案中脫穎而出，成為中國未來大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的臺址，阿里天文臺也應(yīng)運(yùn)而生。天文臺海拔5000余米，高山上的空氣干燥、稀薄，即使在夏季夜里氣溫也接近零度。這里擁有較好的視寧度與將近全年250天的可觀測天數(shù)，使得阿里天文臺躋身國際優(yōu)良觀測臺地址。
?圖3：筆者在飛機(jī)上俯拍的阿里天文臺
然而，也正是因?yàn)檫@些自然條件，使得阿里地區(qū)極其不適合人居住。本以為已經(jīng)經(jīng)歷了拉薩的磨練，高原反應(yīng)早已不再是什么問題，但實(shí)際情況卻不那么樂觀。身在阿里，我們甚至感覺到了窒息：頭疼、流鼻血、惡心……問題接踵而至，打得我們措手不及。隊(duì)里的小鄭同學(xué)平時(shí)是個(gè)唱歌好手，很喜歡唱歌。
來到阿里后的一天，他走在路上看到美景，突然很想高歌一首，結(jié)果剛唱幾秒就氣喘吁吁，敗下陣來。事后，他苦笑著感嘆到：“怪不得高原地區(qū)的人個(gè)個(gè)都是唱歌好手”。
?圖4：獅泉河鎮(zhèn)夜景，阿里天文臺就坐落在遠(yuǎn)處山頂。小鎮(zhèn)近兩年發(fā)展十分迅速，雖然距離天文臺有20公里，但光污染的問題也已經(jīng)提上了臺面。
歷經(jīng)千辛萬苦，我們終于抵達(dá)了臺址。如果說德令哈站是一個(gè)已經(jīng)歷經(jīng)風(fēng)霜的成年人，羊八井站是一個(gè)處在弱冠之年的青年人，那么阿里天文臺就還只是一個(gè)剛剛脫離襁褓的幼童。艱苦困難，但卻四處散發(fā)著生機(jī)。
原本用于上站的近六十度傾角的土路早已廢棄，旁邊就是阿里地區(qū)政府資助修建的柏油路；站上供電，再也不需要靠不穩(wěn)定的太陽能電池板，從鎮(zhèn)上到機(jī)場架的高壓線解決了所有問題；天文臺的規(guī)劃建設(shè)，也在井然有序、有條不紊的進(jìn)行著。
阿里天文臺于2012年開始建設(shè)，到目前為止還沒有在工作的觀測設(shè)備。只有一個(gè)墨子號量子通信衛(wèi)星地面站、多個(gè)風(fēng)廓線觀測站正在運(yùn)行。但這里目前正在建設(shè)的項(xiàng)目卻有很多，包括與南京大學(xué)合作的望遠(yuǎn)鏡的基建已經(jīng)完成，此外還有與日本合作的國際巡天計(jì)劃中的小型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡以及騰訊開發(fā)的大數(shù)據(jù)望遠(yuǎn)鏡都在穩(wěn)步進(jìn)展中。
阿里觀測站成立初期就確定為我國大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的選址之一，至今，阿里原初引力波（毫米波）探測實(shí)驗(yàn)已于2017年初破土動工。此外，阿里也是一個(gè)口徑為12m的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡備選臺址之一；為了達(dá)到更好的觀測條件，該望遠(yuǎn)鏡（如果落地阿里）將建設(shè)在阿里天文臺東南方向約20公里外的一座近6000米的高山上。
如果說我們從德令哈站看到的是中國天文事業(yè)的艱難起步，在羊八井站看到的是中國天文事業(yè)的不斷摸索前進(jìn)，那么在阿里天文臺看到的，或許是中國天文事業(yè)光明璀璨的未來，但許多工作（包括臺址監(jiān)測等）還在開展中。
阿里天文臺臺長周云賀大學(xué)畢業(yè)就參與了選址工作，雖然至今已十幾年。在向我們介紹天文臺的現(xiàn)狀和未來時(shí)，他的眼中閃爍著光芒，言語中透露著自豪。的確，我國正處于一個(gè)天文學(xué)發(fā)展迅猛的時(shí)期。國家大量的投入、地方的充分支持，一批青年天文學(xué)家和技術(shù)人員在引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新、用于探索，在天文觀測領(lǐng)域上打造出了一批屬于我們自己的天地，而這，正是天文學(xué)科持續(xù)發(fā)展的根本保障。
在未來，阿里天文臺將有望填補(bǔ)我國在大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡方面的空白，讓我國也有屬于自己的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并以此追趕上世界的先進(jìn)水平。
?圖5：黃昏中的阿里天文臺。圖中白色的物資和地基都將在未來安置天文望遠(yuǎn)鏡，此時(shí)攝影者的左后方（照片外）還有處騰訊投資修建的公共望遠(yuǎn)鏡。
后記：仰望星空的人們
我們抵達(dá)阿里天文臺的時(shí)候恰逢英仙座流星雨。在深夜里，我們與那里的工作人員及全國各地的天文愛好者一起，看一顆顆流星劃過天空。
值此，我們也結(jié)束了此次的實(shí)踐之旅。這一趟行程，沿途感悟了青海西藏的純凈與蒼涼，也得見最為壯美的星河。當(dāng)然，在這與日常如此不同的瑰麗景致之中，我們卻更要為那里遇見的人與物而贊嘆。他們用奉獻(xiàn)的精神、恬淡的態(tài)度以及對天文的熱忱，堅(jiān)守著高原上指向深邃星空的“眼睛”，為人類豐富對宇宙的認(rèn)知，采集著寶貴的素材。他們腳踏幾千米高原，只為多仰望一眼星空。
天問專欄
作者介紹： 楊韞加，清華大學(xué)物理系學(xué)生，本次實(shí)踐支隊(duì)支隊(duì)長。實(shí)踐支隊(duì)其他成員分別為：劉亙越、鄭逢時(shí)、鄭鑫宇、馮博，共計(jì)五人。
制版編輯： 呂浩然｜
