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)物理系的幾個小伙兒，收拾行囊，遠赴青藏高原，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”——天文望遠鏡。同時，在每一架望遠鏡背后，更有著一直堅守著的人們。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踐支隊究竟看到了什么？天問專欄第十一期，帶你走進高原之上的那些“蒼穹之眼”。
撰文 | 清華大學(xué)物理系赴青藏天文臺實踐支隊
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候，你是否會想到，這些觀測設(shè)備的維護和觀測數(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，但是正是因為他們的工作，才使得天文學(xué)家們得以了解星空中的每一點細節(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，幾個同學(xué)一拍即合——清華大學(xué)物理系赴青藏天文臺實踐支隊?wèi)?yīng)運而生。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“下馬威”。剛上高原的幾天，幾乎每晚都會因為口干渴醒，睡眠質(zhì)量嚴重下降；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，這里一年中雨雪天氣的占比很低，從而保證大部分時間都可以進行觀測。
正是這些得天獨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半小時才到達目的地。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)了幾個白色的圓球——毫米波射電望遠鏡（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轉(zhuǎn)為飛行模式。這是由于觀測站射電望遠鏡的后端設(shè)備所用的傳輸頻率和手機通訊頻率相近，手機信號可能會對觀測造成干擾。
巨站長帶著我們參觀了整個望遠鏡，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鏡為主要設(shè)備，這對于我們來說稱得上是一個龐然大物，沿著豎梯爬到饋源所在的平臺也需要不少勇氣。
望遠鏡被一個球形外殼包圍，主要用于抵御時長肆虐的大風(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。望遠鏡口徑13.7米，主要工作頻段為85-115GHz，大約為手機相應(yīng)頻段的100倍。來自外太空的信號經(jīng)過鏡面反射后進入放置在液氮中的接收機，通過功率放大、降頻后進入頻譜儀生成頻譜信息。
由于原子、分子在躍遷的時候都會發(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位置的元素信息，從而實現(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研究所的“后方”密切配合，一直在對望遠鏡進行升級。
現(xiàn)在的望遠鏡，分頻系統(tǒng)可以同時接收三個頻率的信號，九個接收機形成陣列。通俗來講，望遠鏡就像擁有幾十雙眼睛，可以在三個小時的時間內(nèi)掃描完成一塊天球上30’×30’（滿月時月亮的直徑為30’）立體角單元格。
這樣高的效率也使得大規(guī)模的巡天計劃得以實現(xiàn)，也就是望遠鏡現(xiàn)在正在進行的“銀河畫卷”計劃，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)家們就可以準確找到恒星誕生的場所并進行深入研究，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)家單獨申請的觀測時間，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米毫米波望遠鏡以外，還有國家天文臺的兩臺望遠鏡、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，那個時候沒有電、沒有水，基建的時候只能頂著大風(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)堅持了幾十年。
未來會怎么樣？大家也都沒有一個具體的藍圖。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，我們每個人都陷入了沉默。
西藏羊八井觀測站——摸索前進中的中國天文觀測
乘坐傍晚的班車回到市區(qū)，我們與德令哈道別了?；疖嚢褵o盡的荒漠甩在身后，跨過海拔5100m的唐古拉，我們進入真正的藏區(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，我們奔赴此次實踐的另一個目的地——羊八井，那里不僅僅有溫泉和地?zé)幔€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鏡——中德亞毫米波望遠鏡（CCOSMA）引進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：實踐支隊與羊八井觀測站工作人員在CCOSMA前合影
由于引進自國外，CCOSMA的技術(shù)比較先進。望遠鏡主鏡口徑3m，由18塊鋁板拼接而成。每個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，這使得望遠鏡具有很好的面板精度和指向精度。望遠鏡光路采用納焦式，饋源后方有三個焦點，放置了兩套國內(nèi)最先進的高頻接收機。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，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)試和觀測的時間也只有幾個月。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)完成了對望遠鏡的大部分調(diào)試工作，并且成功解決了望遠鏡的各種問題，“預(yù)計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天文工作者，他們的一個共同點就是他們的熱情。
可能許多天文工作者都是在機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、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，飛向另一片遙遠而未知的地域——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)望遠鏡的臺址，阿里天文臺也應(yīng)運而生。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：筆者在飛機上俯拍的阿里天文臺
然而，也正是因為這些自然條件，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。隊里的小鄭同學(xué)平時是個唱歌好手，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)的人個個都是唱歌好手”。
?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，我們終于抵達了臺址。如果說德令哈站是一個已經(jīng)歷經(jīng)風(fēng)霜的成年人，羊八井站是一個處在弱冠之年的青年人，那么阿里天文臺就還只是一個剛剛脫離襁褓的幼童。艱苦困難，但卻四處散發(fā)著生機。
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。只有一個墨子號量子通信衛(wèi)星地面站、多個風(fēng)廓線觀測站正在運行。但這里目前正在建設(shè)的項目卻有很多，包括與南京大學(xué)合作的望遠鏡的基建已經(jīng)完成，此外還有與日本合作的國際巡天計劃中的小型光學(xué)望遠鏡以及騰訊開發(fā)的大數(shù)據(jù)望遠鏡都在穩(wěn)步進展中。
阿里觀測站成立初期就確定為我國大型光學(xué)望遠鏡的選址之一，至今，阿里原初引力波（毫米波）探測實驗已于2017年初破土動工。此外，阿里也是一個口徑為12m的光學(xué)望遠鏡備選臺址之一；為了達到更好的觀測條件，該望遠鏡（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，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，他的眼中閃爍著光芒，言語中透露著自豪。的確，我國正處于一個天文學(xué)發(fā)展迅猛的時期。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我國在大型光學(xué)望遠鏡方面的空白，讓我國也有屬于自己的大型光學(xué)望遠鏡，并以此追趕上世界的先進水平。
?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鏡，此時攝影者的左后方（照片外）還有處騰訊投資修建的公共望遠鏡。
后記：仰望星空的人們
我們抵達阿里天文臺的時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。他們用奉獻的精神、恬淡的態(tài)度以及對天文的熱忱，堅守著高原上指向深邃星空的“眼睛”，為人類豐富對宇宙的認知，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，本次實踐支隊支隊長。實踐支隊其他成員分別為：劉亙越、鄭逢時、鄭鑫宇、馮博，共計五人。
制版編輯： 呂浩然｜
