天文臺首次測得南極冰穹A夜間大氣視寧度

隨著南極極夜逐漸降臨，國家天文臺位于南極冰穹A昆侖站的視寧度測量望遠鏡(KL-DIMM)首次直接測量到了冰穹A的夜間大氣視寧度，同時也證實了在地表8米的高度之上即有機會獲得極佳的大氣視寧度(小于0.3角秒，見圖1)。

圖1 KL-DIMM望遠鏡在2019年4月12日的視寧度測量結(jié)果

視寧度表征大氣湍流造成望遠鏡成像抖動的模糊程度，是光學(xué)紅外天文觀測臺址最重要的參數(shù)之一。視寧度數(shù)值越小，成像的角分辨率越高，望遠鏡對暗弱天體的探測能力就越強。因此地面大型望遠鏡的建設(shè)需要選擇優(yōu)良的臺址。目前，世界上最好的臺址集中在夏威夷和智利，其平均大氣視寧度在0.6角秒左右。大氣湍流主要集中在近地面的邊界層，之上的自由大氣湍流就非常小。常規(guī)臺址邊界層厚度約數(shù)百米，而南極內(nèi)陸冰蓋由于其特殊的地理位置，大氣邊界層非常薄，將望遠鏡架設(shè)在邊界層之上成為可能。我國在冰穹A已經(jīng)開展的臺址測量表明，其邊界層全年中值只有約14米，是南極冰穹C的一半，但過去尚無對夜間視寧度的直接測量。

在國家自然科學(xué)基金委的支持下，國家天文臺南極天文研究團組開展了冰穹A光學(xué)天文的臺址測量工作，研制了昆侖視寧度測量望遠鏡KL-DIMM，在國內(nèi)經(jīng)過大量低溫和野外測試后，兩臺望遠鏡由我國第35次南極科考隊于2019年1月安裝在昆侖站，架設(shè)在為其定制的8米高的塔架上(見圖2)。自安裝調(diào)試結(jié)束后，KL-DIMM即開始自動觀測，已經(jīng)獲取了大量白天視寧度測量數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，即使在白天，也有很多時間可以獲得優(yōu)異的自由大氣視寧度。

圖2 南極冰穹A(昆侖站)現(xiàn)場的KL-DIMM望遠鏡。

夜間視寧度的測量結(jié)果進一步證實了冰穹A可能是地面上最好的光學(xué)天文臺址，目前兩臺KL-DIMM仍在持續(xù)自動觀測，長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)將可以為最終確認冰穹A的天文觀測資源和我國南極天文臺大型望遠鏡的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

在KL-DIMM的研制中，有多項關(guān)鍵技術(shù)取得了重大突破。

首先是在南極極端環(huán)境下的望遠鏡運轉(zhuǎn)，冰穹A冬季最低可達-80℃，且無人值守，電力和網(wǎng)絡(luò)帶寬都極為有限。通過對赤道儀的改造，關(guān)鍵部件的主動溫控設(shè)計等，首次實現(xiàn)了小型赤道儀在冰穹A冬季的運行，將來能夠用于冰穹A其他小型望遠鏡的運行，并為大望遠鏡提供借鑒。

更重要的是無人值守智能觀測系統(tǒng)，實現(xiàn)了從觀測規(guī)劃、望遠鏡指向、圖像獲取和保存、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果回傳的全自動觀測。另有儀器狀態(tài)監(jiān)視和故障短信報警系統(tǒng)。特別地，由于KL-DIMM視場很小(約10角分)，而現(xiàn)場條件的限制使得望遠鏡的安裝調(diào)試精度不可能太高，但是智能觀測系統(tǒng)通過閉環(huán)跟蹤、指向模型、利用尋星鏡導(dǎo)星等一系列手段，實現(xiàn)了對目標(biāo)的精確指向和跟蹤，并保證了連續(xù)24小時不間斷觀測。該智能觀測系統(tǒng)基于項目組在南極巡天望遠鏡上積累的經(jīng)驗，也可以拓展應(yīng)用于其他野外臺站的自動望遠鏡。

此項目的合作單位包括天津師范大學(xué)、天津大學(xué)、南極天文中心和澳大利亞新南威爾士大學(xué)。研制和測試過程中得到了來自南京天光所、云南天文臺、新疆天文臺等單位研究人員的大力協(xié)助。南極現(xiàn)場的實施得到了中國第35次南極考察隊、中國極地研究中心和極地考察辦公室的大力支持。(何淼 聞佳琪)

關(guān)鍵詞： 天文臺 南極冰穹