位于南極點(diǎn)的南極望遠(yuǎn)鏡

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

中國(guó)自主研發(fā)的首臺(tái)全自動(dòng)無(wú)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(jìng)技場(chǎng)上，中國(guó)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(guó)成為世界地基天文觀測(cè)領(lǐng)域的“領(lǐng)頭羊”。屆時(shí)中國(guó)的南極天文學(xué)研究將更上一層樓，中國(guó)科學(xué)家將在南極天文學(xué)這部鴻篇巨制中書(shū)寫(xiě)下令世界矚目的“中國(guó)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(diǎn)是一個(gè)叫冰穹A的地方，那里視野開(kāi)闊，地勢(shì)平坦。中國(guó)繼長(zhǎng)城站、中山站后建立的第三個(gè)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(gè)非常具有科學(xué)考察價(jià)值的地方，被稱(chēng)為南極最有地理價(jià)值的“高點(diǎn)”。在南極，有類(lèi)似價(jià)值的點(diǎn)共四個(gè)，冰穹A是其中之一，另外三個(gè)分別被稱(chēng)為“極點(diǎn)”、“冰點(diǎn)”和“磁點(diǎn)”，它們已被其他國(guó)家占據(jù)，有了相應(yīng)的考察站。2005年，我國(guó)南極科考隊(duì)首次登上了曾被認(rèn)為是“人類(lèi)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(lèi)首次確定了南極內(nèi)陸冰蓋最高點(diǎn)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(guó)天文學(xué)家跟隨中國(guó)第24次南極科考隊(duì)奔赴南極。次年1月，他們?cè)诒稟建立了一個(gè)天文自動(dòng)觀測(cè)站。觀測(cè)站有一個(gè)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(chēng)為“中國(guó)之星小望遠(yuǎn)鏡陣”。自動(dòng)觀測(cè)站還安裝了其他包括望遠(yuǎn)鏡、大氣活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、聲雷達(dá)、發(fā)電機(jī)和中心控制計(jì)算機(jī)等相關(guān)設(shè)備。至此，中國(guó)的南極天文學(xué)邁開(kāi)堅(jiān)實(shí)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(cè)環(huán)境。我們都有這樣的體驗(yàn)，天上的星星經(jīng)常會(huì)“眨眼睛”，這是大氣抖動(dòng)造成的，這種抖動(dòng)對(duì)天文觀測(cè)很不利。南極的空氣則極為透明和寧?kù)o，所以在南極安裝天文望遠(yuǎn)鏡就能得到非同一般的觀測(cè)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(duì)紅外輻射的吸收，有利于紅外望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)。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(cè)的靈敏度，加之南極還是地球上觀測(cè)天空視角最大的地點(diǎn)，能極大地提高觀測(cè)效率。這些得天獨(dú)厚的條件正是人們熱衷于在南極從事天文觀測(cè)的重要原因。

冰穹A是地球上最好的天文觀測(cè)點(diǎn)之一，那里天空總是晴朗，冬季全是黑夜，絕少陽(yáng)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(dòng)很少的平流層進(jìn)行天文觀測(cè)。

南極巡天望遠(yuǎn)鏡

2011年，中國(guó)第28次南極科考隊(duì)中的天文科考隊(duì)員在冰穹A成功安裝了南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-1。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡是中國(guó)自主研發(fā)的首臺(tái)全自動(dòng)無(wú)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(dòng)指向、跟蹤和調(diào)焦功能，由于極地大氣透過(guò)率高，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果比同類(lèi)普通臺(tái)址的望遠(yuǎn)鏡要好得多。

南極巡天望遠(yuǎn)鏡是大視場(chǎng)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(qiáng)大的CCD相機(jī)，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(zhǎng)的極夜里，AST3-1能夠不間斷地觀測(cè)，成為地面天文研究中獨(dú)一無(wú)二的望遠(yuǎn)鏡。自2012年3月15日投入運(yùn)行以來(lái)，這架望遠(yuǎn)鏡一直工作得不錯(cuò)。

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

南極巡天望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)重要任務(wù)是利用“微引力透鏡”效應(yīng)搜尋太陽(yáng)系以外的行星，它是我國(guó)首個(gè)以尋找此類(lèi)行星為科學(xué)目標(biāo)的項(xiàng)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?chē)嬖谛行牵阈呛托行蔷蜆?gòu)成了引力場(chǎng)，這個(gè)引力場(chǎng)有時(shí)像個(gè)透鏡，能放大背景恒星的光，從而發(fā)生光度的瞬間增強(qiáng)現(xiàn)象。現(xiàn)在，觀測(cè)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?yàn)榭茖W(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(yùn)用微引力透鏡技術(shù)外，我國(guó)南極天文觀測(cè)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(guó)南極天文學(xué)破解生命起源之謎的一個(gè)重要目標(biāo)。

南極巡天望遠(yuǎn)鏡的另一個(gè)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(cè)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(cè)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(guò)對(duì)Ia型超新星的觀測(cè)證明了宇宙正在加速膨脹的事實(shí)，這一成果在2011年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。伽瑪暴是宇宙中伽瑪射線突然增強(qiáng)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(lái)自超大質(zhì)量恒星的爆炸。伽瑪暴發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生X光、可見(jiàn)光和無(wú)線電波，這些射線能從地球上觀測(cè)到，天文學(xué)家們稱(chēng)之為伽瑪暴的“余輝”。南極巡天望遠(yuǎn)鏡可對(duì)其光學(xué)余輝進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)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(guó)科學(xué)家還將安裝兩臺(tái)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(tái)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(guó)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(lèi)一直以來(lái)的追求。20世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德文•哈勃用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)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(qiáng)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(guò)程猶如一次大爆炸。

到了20世紀(jì)60年代，一個(gè)新發(fā)現(xiàn)又進(jìn)一步支持了宇宙大爆炸理論，這個(gè)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(cè)，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(gè)宇宙，它們的波長(zhǎng)會(huì)隨著宇宙的膨脹而被拉長(zhǎng)，最終變成波長(zhǎng)很長(zhǎng)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(lái)要解釋的問(wèn)題又讓科學(xué)家們大傷腦筋了。大爆炸理論說(shuō)，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(wèn)題是，這個(gè)過(guò)程究竟是如何演進(jìn)的？在天體誕生的時(shí)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(jiàn)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(dòng)了恒星和星系的形成。科學(xué)家們還推測(cè)，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(huì)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(shí)：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(cè)，一定有一種神秘的力量在與引力抗衡，他們把這種力量稱(chēng)為“暗能量”。2001年，美國(guó)發(fā)射了威爾金森各向異性探測(cè)衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星測(cè)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(cè)到的天體——黑洞。現(xiàn)在我們知道，黑洞是一種引力極強(qiáng)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(lái)自星際空間的物質(zhì)，然后通過(guò)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(lèi)對(duì)宇宙的許多解釋都還沒(méi)有得到確切的印證。由于暗物質(zhì)、暗能量和黑洞很難觀測(cè)，人類(lèi)對(duì)宇宙的研究遇到了很大的麻煩。科學(xué)家們終于意識(shí)到，原來(lái)我們對(duì)宇宙中的絕大部分組成并不清楚，這不能不說(shuō)是現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)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(gè)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(kāi)始于1912年，已經(jīng)有了一個(gè)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(kāi)展天文研究則開(kāi)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(chǎng)所。在過(guò)去的10年里，一些國(guó)家在南極相繼建立天文觀測(cè)站，開(kāi)展從光學(xué)觀測(cè)、射電觀測(cè)、宇宙微波背景輻射觀測(cè)到中微子觀測(cè)等多個(gè)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(gè)耀眼的分支。

1998年底，美國(guó)科學(xué)家在南極實(shí)施了毫米波段氣球觀天計(jì)劃，他們利用氣球?qū)⒁患芡h(yuǎn)鏡送到4.2萬(wàn)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(cè)結(jié)果。在位于南極點(diǎn)的阿蒙森-史考特南極站，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的南極望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)直徑達(dá)10米的射電望遠(yuǎn)鏡，它的一項(xiàng)重要任務(wù)是觀測(cè)南天球數(shù)千個(gè)星系團(tuán)之間的聯(lián)系。由于星系團(tuán)的演化會(huì)反映引力和暗能量之間的相互作用，所以這種觀測(cè)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(huì)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(cè)量這些高能粒子的信號(hào)就成了發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的方式之一。

為了捕捉來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的暗物質(zhì)粒子，科學(xué)家們?cè)谀蠘O建設(shè)了一個(gè)用來(lái)捕獲宇宙粒子的“冰立方中微子觀測(cè)站”，這是一個(gè)包含有5320個(gè)感應(yīng)器的“冰立方”網(wǎng)絡(luò)，有79個(gè)深達(dá)2500米的冰洞，每個(gè)洞里埋有電纜和探測(cè)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(yùn)動(dòng)，由于不帶電荷，所以它們?cè)陲w行時(shí)不會(huì)受磁場(chǎng)的干擾而偏離方向，這樣一來(lái)，如果探測(cè)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(lái)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(shí)候，這些中微子便能被“冰立方”監(jiān)測(cè)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(guó)家相比我國(guó)目前的南極天文學(xué)，還處在“追趕”的階段，盡管如此，我國(guó)南極天文學(xué)的發(fā)展勢(shì)頭卻是十分強(qiáng)勁的。在南極天文學(xué)這塊摘取科學(xué)碩果的競(jìng)技場(chǎng)上，中國(guó)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(guó)成為世界地基天文觀測(cè)領(lǐng)域的“領(lǐng)頭羊”。屆時(shí)中國(guó)的南極天文學(xué)研究將更上一層樓，中國(guó)科學(xué)家將在南極天文學(xué)這部鴻篇巨制中書(shū)寫(xiě)下令世界矚目的“中國(guó)篇章”。摘自《百科知識(shí)》2013年第2期