南极概况 南极概况

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南极概况

遥远的南极大陆为天文学提供了一个仅次于太空的观测环境,南极天文意义重大:

天文学和物理学的重大问题可以归结为“2暗1黑3起源”,也就是“暗能量”、“暗物质”、“黑洞”、“宇宙起源”、“天体起源”和“生命起源”。南极天文的主要科学目标是研究2暗1黑3起源。解决其中任何一个问题都将导致物理和天文的革命。

南极天文的独特科学机遇包括:

1):深度光学巡天,利用弱引力透镜效应和超新星巡天等多种手段,揭示宇宙暗物质和暗能量的性质。

2):深度红外和太赫兹巡天,最终展现目前尚未探测到的早期高红移天体和宇宙。

3):高精度测光,利用微引力透镜搜寻地外行星,探索地外生命的起源。

4):高时间分辨率时域天文学,详尽研究各种周期光变和瞬变天体。

5):太赫兹地面新观测窗口提供全新的科学发现。

南极有四个最有地理价值的点,即极点、冰点(南极气温最低点)、磁点和高点。美国在极点(South Pole)建有阿蒙森斯科特站,俄罗斯的东方站位于冰点(Dome F)之上,磁点(Dome C)则是法国与意大利联合建造的迪蒙迪维尔站,冰盖高点Dome A建有中国昆仑站。

观测和理论研究表明,南极冰穹A是地球上最好的天文台址。

2005年1月,我国南极内陆科考队在李院生队长的带领下在世界上首次登上南极冰盖的最高点冰穹A,随后我国政府决定于十一五在冰穹A建科考站。

2009年1月在南极冰穹A建成了我国第一个南极内陆考察站—南极昆仑站。

目前我国极地考察支撑体系包括“一船、三站、一基地”,即雪龙船、中国南极长城站、中山站、昆仑站和中国极地考察国内基地(上海)。

我国的天文研究机构从2005年就开始与极地科考合作,在国际南极年中国行动计划(PANDA计划)的支持下,自主或通过国际合作研制了选址观测设备,由第25、26、27次南极科学考察内陆队在冰穹A安装和测量,大部分设备进行了越冬观测。先后测量了包括大气湍流和边界层厚度、大气云量和光学透过率、天光的光学与红外背景亮度及夜天光谱线辐射、太赫兹大气透过率等重要台址参数。

我国已经完成了南极天文中长期规划,在“十二五”期间拟建设2.5米光学/红外望远镜和5米太赫兹望远镜(南极天文台),中期规划为6-8米大视场光学/红外望远镜和15米太赫兹望远镜,长远规划瞄准极大口径光学/红外望远镜和远红外干涉阵。  

南极内陆高原有极好的视宁度,即自由大气视宁度好,这是南极之外任何台址都无可比拟的;冬季全黒夜,可对南天区进行4个月的连续观测;近地层高度低;水气含量低,红外背景辐射少,特别适合开展红外和亚毫米波天文学和仪器的研制;大气透过率高;等晕角大,相干时间长:是开展光干涉和自适应光学的理想场所;风速小,地震少:利于简化望远镜的设计,降低望远镜的造价;空气干燥、尘埃少:大大减小望远镜的镀膜次数, 提高光学观测效率(散射小)。

在这样一个优秀的天文台址研制先进的天文设备给开展前沿科学研究提供了有利的条件。另一方面,南极内陆高寒缺氧不易接近的环境给光学/红外望远镜的研制、安装和运行带来了技术挑战。

南极望远镜的特点有:准空间环境(无人值守、低温);高分辨(自适应光学、干涉技术);专用型和普适型相结合;费用介于地面和空间之间;口径相对地面常规天文台小,但可大于空间;有空间和地面常规天文台都没有的问题—镜面结霜;光学和近红外望远镜需要装在架在冰上的塔架上;考虑到运输的困难和保护环境,特别要考虑低功耗的元器件控制和清洁能源的相关技术。

为进一步整合我国在南极天文上的研究队伍,推动南极天文观测工作的开展,2006年12月25日,中国南极天文中心在紫金山天文台正式宣告成立。该中心是由中科院紫金山天文台、中科院南京天文光学技术研究所、国家海洋局中国极地研究中心、中科院国家天文台发起和共建的研究机构。

为有效组织实施“十二五”国家重大科技基础设施“南极天文台”的立项建设,2012年3月南京天文光学技术研究所成立了“南极天文技术中心”。

自2006年开始,南京天文光学技术研究所科研人员即开始了南极天文仪器的研制,从中国之星小望远镜阵CSTAR,南极视宁度测量仪DIMM,南极巡天望远镜AST3到南极昆仑暗宇宙巡天望远镜KDUST的预研,望远镜的口径逐步增大,功能日趋复杂,在极端环境下的望远镜关键技术方面积累了丰富的经验。

与之同时,从2008年开始,每年南京天文光学技术研究所都有科研人员参加中国南极科学考察队的内陆考察,伴随着我国南极首个内陆站――昆仑站的选址、建设,为南极内陆天文科考乃至内陆考察付出了艰苦的努力。

第25次南极内陆考察天文队员宫雪非研究员在现场成功大修了南极内陆自动天文观测站的发电机部分,并对仪器设备进行了出色地维护,首次实现了天文仪器在南极内陆全年无人值守远程控制正常运行,完成了中国天文观测站的首个越冬工作。

第26次队胡中文研究员对CSTAR望远镜进行了维护和校准,还安装了新的天文仪器;

第27次队温海焜队员除了维护能源和通讯平台之外,利用我所自行研制的视宁度测量仪器DIMM完成了夏季3米高度的视宁度测量,获得了实测数据;

第28次队杜福嘉、李正阳和张毅三名队员与其他队友一起通力合作,利用极其有限的工作时间成功安装了首台主镜680毫米的南极巡天望远镜AST3-1以及新一代能源与通讯平台PLATO-A。

第29次队徐灵哲队员对AST3-1的结构、控制及圆顶等各部分进行了成功的维护。

截至目前,南极天文技术中心已派出7名队友参与了我国南极天文科考,并将在未来的南极天文台建设中承担重任。