位于南極點的南極望遠(yuǎn)鏡

“錢德拉”望遠(yuǎn)鏡拍攝的星系碰撞場面，這幅圖成為暗物質(zhì)存在的依據(jù)

中國自主研發(fā)的首臺全自動無人值守“南極巡天望遠(yuǎn)鏡”

在南極天文學(xué)這塊摘取科學(xué)碩果的競技場上，中國科學(xué)家的目標(biāo)是完成從“追趕”向“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變，從而使我國成為世界地基天文觀測領(lǐng)域的“領(lǐng)頭羊”。屆時中國的南極天文學(xué)研究將更上一層樓，中國科學(xué)家將在南極天文學(xué)這部鴻篇巨制中書寫下令世界矚目的“中國篇章”。

起步冰穹A

在南極，大陸被冰體覆蓋，形成了平均厚達(dá)2450米的“冰蓋”，冰蓋的最高點是一個叫冰穹A的地方，那里視野開闊，地勢平坦。中國繼長城站、中山站后建立的第三個南極考察站昆侖站就位于冰穹A西南約7.3千米的地方。

冰穹A是一個非常具有科學(xué)考察價值的地方，被稱為南極最有地理價值的“高點”。在南極，有類似價值的點共四個，冰穹A是其中之一，另外三個分別被稱為“極點”、“冰點”和“磁點”，它們已被其他國家占據(jù)，有了相應(yīng)的考察站。2005年，我國南極科考隊首次登上了曾被認(rèn)為是“人類不可接近之極”的冰穹A，并插上一根標(biāo)志桿，這意味著人類首次確定了南極內(nèi)陸冰蓋最高點的位置：南緯80度22分00秒，東經(jīng)77度21分11秒，海拔4093米。

2007年10月，中國天文學(xué)家跟隨中國第24次南極科考隊奔赴南極。次年1月，他們在冰穹A建立了一個天文自動觀測站。觀測站有一個小望遠(yuǎn)鏡陣，由4架145毫米口徑折反射式望遠(yuǎn)鏡組成，稱為“中國之星小望遠(yuǎn)鏡陣”。自動觀測站還安裝了其他包括望遠(yuǎn)鏡、大氣活動監(jiān)測設(shè)備、聲雷達(dá)、發(fā)電機和中心控制計算機等相關(guān)設(shè)備。至此，中國的南極天文學(xué)邁開堅實的一步。

和地球的其他地區(qū)不同，南極為天文學(xué)家們提供了幾可媲美太空的觀測環(huán)境。我們都有這樣的體驗，天上的星星經(jīng)常會“眨眼睛”，這是大氣抖動造成的，這種抖動對天文觀測很不利。南極的空氣則極為透明和寧靜，所以在南極安裝天文望遠(yuǎn)鏡就能得到非同一般的觀測效果。另外，南極氣候極為寒冷，空氣中的水汽凍結(jié)成了冰雪，減少水蒸氣對紅外輻射的吸收，有利于紅外望遠(yuǎn)鏡的觀測。南極極端的寒冷還大大減少了望遠(yuǎn)鏡所發(fā)出的熱，提高了紅外觀測的靈敏度，加之南極還是地球上觀測天空視角最大的地點，能極大地提高觀測效率。這些得天獨厚的條件正是人們熱衷于在南極從事天文觀測的重要原因。

冰穹A是地球上最好的天文觀測點之一，那里天空總是晴朗，冬季全是黑夜，絕少陽光、塵埃和水氣的干擾。那里的大氣邊界層極薄，僅15米，只要將望遠(yuǎn)鏡架高15米，就可以進(jìn)入大氣湍動很少的平流層進(jìn)行天文觀測。

南極巡天望遠(yuǎn)鏡

2011年，中國第28次南極科考隊中的天文科考隊員在冰穹A成功安裝了南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-1。這臺望遠(yuǎn)鏡是中國自主研發(fā)的首臺全自動無人值守望遠(yuǎn)鏡，也是目前南極內(nèi)陸最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。新安裝的南極巡天望遠(yuǎn)鏡具有自動指向、跟蹤和調(diào)焦功能，由于極地大氣透過率高，這臺望遠(yuǎn)鏡的觀測效果比同類普通臺址的望遠(yuǎn)鏡要好得多。

南極巡天望遠(yuǎn)鏡是大視場巡天望遠(yuǎn)鏡，扮演著“太空巡邏員”的角色。AST3-1主鏡口徑68厘米，有效通光口徑50厘米，配備了功能強大的CCD相機，可有效進(jìn)行包括超新星早期發(fā)現(xiàn)、系外行星搜尋和光變天體的研究。在南極漫長的極夜里，AST3-1能夠不間斷地觀測，成為地面天文研究中獨一無二的望遠(yuǎn)鏡。自2012年3月15日投入運行以來，這架望遠(yuǎn)鏡一直工作得不錯。

AST3-1只是我國南極巡天望遠(yuǎn)鏡的“第一鏡”，第二臺和第三臺將在未來5年內(nèi)完成安裝，屆時，南極巡天望遠(yuǎn)鏡會形成一個陣列，以便能更加有效地拍攝天空，尋找超新星、活動星系核、黑洞、伽瑪射線暴等目標(biāo)，同時也用于觀測恒星和行星。

南極巡天望遠(yuǎn)鏡的一個重要任務(wù)是利用“微引力透鏡”效應(yīng)搜尋太陽系以外的行星，它是我國首個以尋找此類行星為科學(xué)目標(biāo)的項目。微引力透鏡是一種尋找系外行星的新方法。假若一顆恒星的周圍存在行星，恒星和行星就構(gòu)成了引力場，這個引力場有時像個透鏡，能放大背景恒星的光，從而發(fā)生光度的瞬間增強現(xiàn)象。現(xiàn)在，觀測這種現(xiàn)象已成了發(fā)現(xiàn)和研究系外行星的一種重要方法。

研究系外行星也是現(xiàn)代天文學(xué)破解生命起源之謎的重要內(nèi)容，因為科學(xué)家們認(rèn)為，如果環(huán)境適宜，系外行星上也可能存在生命。南極巡天望遠(yuǎn)鏡及其后續(xù)的其他望遠(yuǎn)鏡都將致力于在宇宙中尋找生命的蹤跡。除了運用微引力透鏡技術(shù)外，我國南極天文觀測還將使用掩星、行星大氣光譜分析等手段尋找系外行星，這也是我國南極天文學(xué)破解生命起源之謎的一個重要目標(biāo)。

南極巡天望遠(yuǎn)鏡的另一個重要目標(biāo)是尋找遙遠(yuǎn)的“暫現(xiàn)源事件”，比如超新星爆發(fā)和伽瑪暴等。超新星爆發(fā)起源于大質(zhì)量恒星的死亡，由于它非常明亮，所以即使發(fā)生在銀河系之外也能在光學(xué)波段探測到。南極巡天望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)之一就是在超新星爆發(fā)后的一天內(nèi)探測到它們，這種早期發(fā)現(xiàn)有助于揭示超新星爆發(fā)的秘密。此前科學(xué)家們還曾通過對Ia型超新星的觀測證明了宇宙正在加速膨脹的事實，這一成果在2011年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。伽瑪暴是宇宙中伽瑪射線突然增強的現(xiàn)象，有可能是非常致密的中子星碰撞融合的結(jié)果，也有可能來自超大質(zhì)量恒星的爆炸。伽瑪暴發(fā)生時會產(chǎn)生X光、可見光和無線電波，這些射線能從地球上觀測到，天文學(xué)家們稱之為伽瑪暴的“余輝”。南極巡天望遠(yuǎn)鏡可對其光學(xué)余輝進(jìn)行觀測。對伽瑪暴的研究可為科學(xué)家們研究早期宇宙提供重要線索。

現(xiàn)代宇宙學(xué)的大困惑

在南極巡天望遠(yuǎn)鏡之后，中國科學(xué)家還將安裝兩臺更大的望遠(yuǎn)鏡，這就是2.5米口徑的南極暗宇宙巡天望遠(yuǎn)鏡和5米口徑太赫茲射電望遠(yuǎn)鏡。這兩臺望遠(yuǎn)鏡的研究目標(biāo)被定位為 “兩暗一黑三起源”，即暗物質(zhì)、暗能量、黑洞、宇宙起源、天體起源和生命起源。這一目標(biāo)的確定使得中國的天文學(xué)研究直指現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代天文學(xué)的最前沿的領(lǐng)域。

“兩暗一黑三起源”是現(xiàn)代天文學(xué)的重大課題，其中隱藏著的有關(guān)宇宙起源和生命起源的終極答案，是人類一直以來的追求。20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家愛德文•哈勃用望遠(yuǎn)鏡觀測到，宇宙中的絕大多數(shù)星系都在發(fā)生紅移，這意味著宇宙中的星系正在離我們遠(yuǎn)去！哈勃的發(fā)現(xiàn)表明宇宙正在快速地膨脹，這一發(fā)現(xiàn)為宇宙大爆炸理論提供了強有力的證據(jù)支持。宇宙大爆炸理論認(rèn)為，宇宙是由溫度極高，密度極大，體積極小的物質(zhì)迅速膨脹而成的，其過程猶如一次大爆炸。

到了20世紀(jì)60年代，一個新發(fā)現(xiàn)又進(jìn)一步支持了宇宙大爆炸理論，這個發(fā)現(xiàn)就是宇宙微波背景輻射，這種輻射相當(dāng)于宇宙大爆炸的“余輝”。科學(xué)家們此前推測，假若宇宙真是一次大爆炸的產(chǎn)物，那么這種“余輝”就應(yīng)該充斥整個宇宙，它們的波長會隨著宇宙的膨脹而被拉長，最終變成波長很長的“微波”。

宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)雖然在很大程度上印證了宇宙大爆炸，但接下來要解釋的問題又讓科學(xué)家們大傷腦筋了。大爆炸理論說，早期宇宙的主要成份是氣態(tài)，隨著溫度的不斷下降，它們慢慢地凝聚成密度較高的氣體云，這些氣體云又進(jìn)一步聚攏成各種恒星和星系。經(jīng)歷了大約137億年的演化后，宇宙才演變成了今天我們看到的樣子。然而問題是，這個過程究竟是如何演進(jìn)的？在天體誕生的時候，宇宙究竟發(fā)生了什么？

按照今天的理論，宇宙早期的群星是在暗物質(zhì)的影響下形成的，這種物質(zhì)擁有引力卻不吸收和釋放光子，所以它們是不可見的。在引力的作用下，暗物質(zhì)很容易聚集成團(tuán)，這就是“暗暈”。“暗暈”吸收普通物質(zhì)，啟動了恒星和星系的形成。科學(xué)家們還推測，在宇宙大爆炸發(fā)生后，由于暗物質(zhì)提供引力，因此宇宙的膨脹會在暗物質(zhì)的作用下逐漸減緩。然而，當(dāng)科學(xué)家們依據(jù)Ia型超新星研究了宇宙膨脹的速度后卻發(fā)現(xiàn)了相反的事實：宇宙的膨脹不是在減緩，而是在加速。

為了解釋宇宙的加速膨脹，科學(xué)家們又推測，一定有一種神秘的力量在與引力抗衡，他們把這種力量稱為“暗能量”。2001年，美國發(fā)射了威爾金森各向異性探測衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星測得宇宙是由23％的暗物質(zhì)、73％的暗能量和4％的普通物質(zhì)組成的。

除了暗物質(zhì)和暗能量外，宇宙中還有一種我們難以觀測到的天體——黑洞。現(xiàn)在我們知道，黑洞是一種引力極強的天體，其密度大得驚人。有科學(xué)家認(rèn)為，黑洞是宇宙的主宰，它們吸引來自星際空間的物質(zhì)，然后通過噴射物質(zhì)流的形式觸發(fā)恒星的形成，并最終“創(chuàng)造”出了星系。

綜上所述，我們可以看到，人類對宇宙的許多解釋都還沒有得到確切的印證。由于暗物質(zhì)、暗能量和黑洞很難觀測，人類對宇宙的研究遇到了很大的麻煩。科學(xué)家們終于意識到，原來我們對宇宙中的絕大部分組成并不清楚，這不能不說是現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個大困惑，而解答這一困惑也就自然而然地成了現(xiàn)代天文學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的重要目標(biāo)。

南極天文學(xué)的百年歷程

有科學(xué)家認(rèn)為，作為天文學(xué)研究的一個重要陣地，南極天文學(xué)最早是以發(fā)現(xiàn)隕石而起步的，它開始于1912年，已經(jīng)有了一個世紀(jì)的發(fā)展歷程。直到今天，南極大陸仍然是發(fā)現(xiàn)隕石最多的地方，而使用光學(xué)儀器在南極開展天文研究則開始于30多年前。

現(xiàn)在，南極已成為天文學(xué)家們進(jìn)行高精度天文學(xué)研究的重要場所。在過去的10年里，一些國家在南極相繼建立天文觀測站，開展從光學(xué)觀測、射電觀測、宇宙微波背景輻射觀測到中微子觀測等多個領(lǐng)域的研究。南極天文學(xué)已經(jīng)成了天文學(xué)領(lǐng)域的一個耀眼的分支。

1998年底，美國科學(xué)家在南極實施了毫米波段氣球觀天計劃，他們利用氣球?qū)⒁患芡h(yuǎn)鏡送到4.2萬米的高空，從而獲得了清晰的初期宇宙照片，得出了宇宙是平直的觀測結(jié)果。在位于南極點的阿蒙森-史考特南極站，由美國國家科學(xué)基金會資助的南極望遠(yuǎn)鏡是一臺直徑達(dá)10米的射電望遠(yuǎn)鏡，它的一項重要任務(wù)是觀測南天球數(shù)千個星系團(tuán)之間的聯(lián)系。由于星系團(tuán)的演化會反映引力和暗能量之間的相互作用，所以這種觀測也是目前研究暗能量的一條有效途徑。

在研究暗物質(zhì)方面，南極天文學(xué)也同樣出手不凡。根據(jù)目前的理論，暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后會產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子，如伽瑪射線、正電子、反質(zhì)子、中微子等，因而測量這些高能粒子的信號就成了發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的方式之一。

為了捕捉來自遙遠(yuǎn)天體的暗物質(zhì)粒子，科學(xué)家們在南極建設(shè)了一個用來捕獲宇宙粒子的“冰立方中微子觀測站”，這是一個包含有5320個感應(yīng)器的“冰立方”網(wǎng)絡(luò)，有79個深達(dá)2500米的冰洞，每個洞里埋有電纜和探測器。中微子是組成自然界的最基本的粒子之一，質(zhì)量非常輕，以接近光速運動，由于不帶電荷，所以它們在飛行時不會受磁場的干擾而偏離方向，這樣一來，如果探測到了中微子的軌跡，就可以追溯出它們的源頭了。雖然中微子的來源現(xiàn)在還不是很清楚，但黑洞、中子星和暗物質(zhì)都有可能是它們的源頭，當(dāng)暗物質(zhì)干擾其他星體而產(chǎn)生了中微子的時候，這些中微子便能被“冰立方”監(jiān)測到，所以，追蹤“冰立方”記錄下的蹤跡，就有可能找到暗物質(zhì)的相關(guān)線索。

綜上所述，我們應(yīng)該看到，與其他先進(jìn)國家相比我國目前的南極天文學(xué)，還處在“追趕”的階段，盡管如此，我國南極天文學(xué)的發(fā)展勢頭卻是十分強勁的。在南極天文學(xué)這塊摘取科學(xué)碩果的競技場上，中國科學(xué)家的目標(biāo)是完成從“追趕”向“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變，從而使我國成為世界地基天文觀測領(lǐng)域的“領(lǐng)頭羊”。屆時中國的南極天文學(xué)研究將更上一層樓，中國科學(xué)家將在南極天文學(xué)這部鴻篇巨制中書寫下令世界矚目的“中國篇章”。摘自《百科知識》2013年第2期