為什么要去南極看星星

蔣芳++蔡玉高

南極，是地面上探索“兩暗一黑三起源”的理想地點

1609年，伽利略用風琴管作鏡筒，兩端嵌入凸透鏡和凹透鏡，制成一架口徑4厘米的望遠鏡，由此成為人類歷史上把望遠鏡對準茫茫太空的第一人，并推動了人類認識宇宙的第一次飛躍。

上世紀90年代開始，不斷升溫的南極科考，將人類認識宇宙的視角引入這塊極寒之地。這塊不適合人類居住的大陸，是否有可能成為推動人類認識宇宙又一次飛躍的跳板呢？

極寒之地成天文“熱土”

人類為什么要去南極看星星？

普通青年說，那里的星空特別純凈;文藝青年說，那里的星星“不眨眼”;科學青年說，那里是地球上最接近太空的地方，特別適合探測宇宙誕生初期產生的極短波長的輻射……

“如果你不到南極，那就只能上天了！”中國科學院院士、南極中心副主任崔向群說。

本世紀全球天文學最具挑戰性的基本科學問題概括為“兩暗一黑三起源”，即暗能量、暗物質，黑洞，宇宙起源、天體起源、生命起源。南極，是地面上探索這些問題的理想地點。

這個人工光源干擾最少的地方，每年有135天連續全黑夜，而且晴天時間高達90%以上，很容易實現4個半月的連續觀測而且達到相應的科學目標，即探測系外行星和測星震等。

這片特殊的土地還有諸多優點有利于天文觀察。

比如，南極大氣環境可以與太空媲美。南極冰穹A大氣稀薄、冷、干燥、塵埃少，可以媲美太空環境，對諸多類型的望遠鏡來說，都是地球上最佳的地面觀測站址。

再如，南極大氣湍動少，自由大氣視寧度好。以冰穹A為例，平均風速低于2米/秒，超過4米/秒的風的情況極少，適合放置大型望遠鏡陣進行光干涉成像觀測等。

此外，南極是天空視角最大的地點，比地面其他地方適合天文觀測，可以極大提高觀測效率。

然而，完美的冰穹A址卻也有著與之并存的殘酷。

李正陽，一個曾經兩次造訪南極從事科考的中國年輕天文學家。他告訴本刊記者，整個南極大陸永久性覆蓋平均厚度達2000多米的冰蓋，到處是冰，無路可走，最低氣溫達到過零下80多攝氏度。

“你在這里邁出的每一步都可能是人類在這里的第一步，也可能是你的最后一步。”李正陽說，“尤其是從中山站到昆侖站途中，80%是兩種天氣，一種叫啥也看不見，另一種風吹得你啥也看不見。走一個星期，依舊是白茫茫，天地連成一片，沒有任何參照物，只能依靠GPS導航、冰雷達掃描艱難行進。”

美國國家科學基金會“南極天體物理學和地球空間科學”項目的主管弗拉基米爾說：“南極是一塊只專注于科學的大陸。在那里工作非常艱苦，環境條件存在許多限制，但同時也使一些特殊的科學研究成為可能。”

2015年3月3日在中國南極中山站拍攝到的極光

為認識宇宙打開“機會窗口”

過去數十年里，南極的天文觀測站已經為天體物理學的前沿研究作出了很大貢獻。

1998年底，美國毫米波段氣球觀天計劃利用漂浮在南極洲上方的氣球作為載體，搭載望遠鏡拍攝到當時最為清晰的初期宇宙照片，發現宇宙是平坦的。

更具代表性的例子是，利用美國南極長周期氣球項目，經過10年觀測研究，中科院紫金山天文臺研究員常進與美國、俄羅斯、德國等國科學家在高能電子觀測方面取得重大研究成果——《宇宙電子在3000億～8000億電子伏特能量區間發現“超”》。如果這一成果被進一步證實，則有可能是人類第一次發現暗物質粒子湮滅的證據，將是現代物理學的重大突破。為了進一步追尋暗物質的蹤跡，常進的科研團隊提出了研制“暗物質粒子探測衛星”計劃，得到科技部和中科院的支持。2015年，名為“悟空”的暗物質衛星已經升空。

南極給人類的驚喜不會就此止步。科學家經實地觀測發現，在南極進行天文觀測，就好比在太空中架設望遠鏡，這里不僅比其他地點看得更遠、更清楚，而且高分辨率、大視場、寬波段兼具的優勢，也有望打開人類探索宇宙的全新“機會窗口”。

2005年，我國科學家登上冰穹A，并在該區域建立了昆侖站。隨后一年，天文學家在冰穹A設立了4個通光口徑14.5厘米的望遠鏡陣列，也就是第一代中國南極小型光學望遠鏡陣CSTAR，又稱“中國之星”;隨后又開始了南極巡天望遠鏡AST3的建設，在此基礎上，我國第三代望遠鏡2.5米口徑昆侖暗宇宙巡天望遠鏡KDUST和5米口徑的太赫茲望遠鏡DATA5的籌建均已列入國家規劃。

中國科學院紫金山天文臺臺長楊戟說：“除了太空，地面上沒有第二處地方可以像南極這樣實現對太赫茲波段的觀測了。新波段帶來的意外發現必將推動我國乃至世界天文學觀測及研究邁上新臺階。如果說射電波段是為地面天文觀測撕開了一條縫隙的話，太赫茲波段觀測則打開了一扇更為寬廣的‘窗口！”

與之相似的，K波段也是南極天文觀測的一雙新眼睛。“KDUST巡天望遠鏡建成后，其對紅外光的觀測將彌補哈勃望遠鏡的不足，彌補全球望遠鏡的觀測空白。尤其是在南極冬季的極夜，能夠輕易實現上百天連續熱紅外K波段的觀測。而AST3望遠鏡第三臺準備做K波段，通過觀測宇宙遙遠天體的紅移，有助于暗能量的研究。”中國南極天文中心主任王力帆說。

是人類關切，也是創新源頭

早在2300多年前，中國偉大的詩人屈原就發出了“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？”的著名“天問”。公元前13世紀甚至更早，中華民族的先人就建立了天文臺，我國至今仍保存著世界上歷時最長、最完整的天象記錄。

現代天文學最重大的課題——“兩暗一黑三起源”，則是追求探索其中隱藏著的有關宇宙起源和生命起源的終極答案。

“毫無疑問，宇宙和生命的起源與演化是全人類共同關心的重大問題，同時也是高技術的創新源頭之一，能對基礎科學乃至人類文明進步帶來現實的和長遠的影響。”崔向群說，“比如，由光學天文發展起來的激光導星、自適應光學、非球面光學、光量子探測，以及大數據處理挖掘技術等，在國民經濟和國防安全方面都有廣泛的應用。”

令人欣喜的是，天文學不斷成為世界各國科學家合作的樂土。曾經去過南極冰穹A的南京天文光學技術研究所副所長宮雪非介紹說，我國在冰穹A建設昆侖站，不但在國際天文界樹立了中國天文學的地位，而且吸引了澳大利亞、美國等國際合作者。