天文台星空观测（这片暗夜星空）

满天繁星是很多人童年记忆中的夜晚。在中国，有一个地方不仅有着浩瀚星空、皎皎银河，还因此具有兴建世界一流天文观测基地的条件，那就是位于青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市的冷湖。由于独特的自然环境，冷湖被称为“地球上最像火星的地方”。

2020年12月20日，冷湖台址第一台望远镜50BiN安装完毕。这张手机拍摄的星轨图记录了冷湖天文观测基地的首光之夜。邓李才摄

今年1月1日，《海西蒙古族藏族自治州冷湖天文观测环境保护条例》正式实施，这是我国首部“暗夜星空保护”地方性法规，目的正是为了保护冷湖地区珍贵的天文观测环境。预计在不久的将来，冷湖赛什腾山天文观测基地将入驻30多台天文望远镜，与之一同成长为国际一流的天文观测基地。

那么，天文台的选址有哪些“挑剔”之处？为何冷湖被寄予厚望？“暗夜星空”怎样保护？我们请中国科学院国家天文台研究员、冷湖基地首席科学家邓李才给大家作介绍。

（1）天文台选址走向“无人区”

我国有不少知名的天文台，首屈一指的便是位于南京东郊的紫金山天文台。作为国内第一个现代天文台，它与云南天文台、兴隆观测基地、上海佘山天文台一起见证了新中国天文学和空间科学的发展和成就。

随着环境变迁和人口增长，这些元老级的天文台裹挟在城市的发展中，看起来似乎更好了，然而，绿树成荫、万家灯火的环境，正是现代天文观测的绊脚石。紫金山天文台、云南天文台、兴隆观测基地都因为城市的亮化，受到了不同程度的影响。为了继续发展，一些天文台寻找新址建设观测设备。比如，云南天文台在青藏高原东沿的横断山选址，历时6年监测、评估之后，在丽江高美古建成了目前中国最大口径的通用型望远镜（2.4米）。20多年来，中国的光学天文观测依靠兴隆基地2.16米和高美古2.4米这两台通用型望远镜，以及建于兴隆基地的郭守敬望远镜负责银河系巡天，为我国在当今光学天文领域争得了一席之地。然而，它们也避不开夜间城市光污染的威胁，开展科学研究的能力打了折扣。

再来看看世界上耳熟能详的科学地标：英国格林尼治天文台、伽利略工作过的意大利帕多瓦天文台都建在城市或近郊，如今已成为历史遗迹和地标文物。

那么，现代天文台的选址应该走向何方？目前公认的国际一流天文台是夏威夷大岛上的莫纳克亚天文台、智利北部阿塔卡玛沙漠地区的天文台，以及稍逊色的西班牙加那利群岛上的天文台，它们均处于鲜有植被的干旱地区，与荒漠和裸岩为伴。现代天文台选址是一系列因素的综合考量，除了台址本身的参数外，还包括天文望远镜的科学目标、资金预算、技术和运维支撑等，但要说到基础、必要的选址要求，还得是避开遮挡、远离灯光，走向高原，走向不适合人类生存的“无人区”。

（2）暗夜环境是重要自然资源

繁星点点、银河迢迢，是苍穹中最为壮丽的自然景观。此次《海西蒙古族藏族自治州冷湖天文观测环境保护条例》正式实施，很多人将其核心意义描述为对“暗夜星空”的保护，事实也的确如此。

许多人常年生活在灯火通明的城市中，他们并不清楚，暗夜环境是地球环境中非常重要的自然资源之一，其意义与大气、海洋和土壤等环境资源一样。暗夜环境不仅对天文观测不可或缺，对地球生物圈也十分重要。昆虫、鸟类和各种动物、植物，都十分依赖地球自转形成的昼夜转化等自然条件。有研究证据显示，受夜间人工光源的影响，一些地球物种遭遇了灭顶之灾。

随着社会的发展，特别是人工光源在夜间的使用，区域范围和光亮程度逐步扩大并呈现高速增长的态势，暗夜环境日益受到相关学科科学家的关注。其中，最关注此事的莫过于天文学科学家。

对依赖地基台址的光学天文观测而言，人工灯光形成的危害是致命的。在天文台附近区域的城镇灯光或其它原因设置的灯光，经地面或立面建筑物的反射，会给自然暗夜叠加一个背景，这个背景的强度随光源的增强而增强。而明亮的背景，会“淹没”本来可以透过大气看到的天体，这也是生活在大城市的人很难看见星空的原因。

（3）冷湖为何能比肩国际一流台址

在太空技术发达的现代，为什么还要在地面建设观测设备？原因是由于技术的限制，我们不可能把超大型的设备送入太空，而大型设备和与之匹配的仪器对现代和未来天文学、物理学探索极致问题是不可或缺的。

适宜建设光学天文台的地点被称为台址，这种资源无疑是稀缺的。此前，国际一流台址只有智利北部山区、美国夏威夷莫纳克亚峰及南极内陆冰穹地区有，而中国在这方面一直是空白，严重制约了光学天文学的发展。

2018年8月，中国科学家邓李才团队在国际科学期刊《自然》杂志发表论文，宣布在青藏高原寻觅到一个新的潜在天文观测点——冷湖天文观测基地，可以和夏威夷莫纳卡亚这样举世公认的极佳天文台址比肩。

邓李才（右）在冷湖台址勘测

找到冷湖，是个意外之喜。2009年中科院国家天文台加入了国际恒星观测网络（SONG），需要搭建一个望远镜，当务之急是为它安个家。“世界屋脊”青藏高原因得天独厚的地缘条件，成为寻觅光学天文观测台址的“希望”。最初，科学家选择的是青海省海西蒙古族藏族自治州（简称“海西州”）德令哈市的紫金山天文台青海观测站，没想到因城市的快速发展，到2017年时德令哈的亮化程度已增加近1000倍，直接影响到该望远镜的观测。这时，同样位于海西州的冷湖凭借其优质的星空和雅丹地貌地质环境，进入了科学家的视野。

冷湖是世界上少有的净土，地处“无人区”，几乎没有任何光污染，这是科学家选址考量的重要基本条件。国际上的大型天文台，情况也大抵如此。相比而言，青藏高原地区特别是冷湖的暗夜环境更为优越。把天文台址最终确定在冷湖，是因为这里同时满足了选址颇为“挑剔”的几个条件。

首先，地基天文观测是透过地球大气进行观测的，大气中的物质成分会吸收部分来自天体的信号。台址上空的大气越稀薄，吸收就越少，因此科学家需要去海拔尽可能高的地方选址。冷湖台址位于冷湖镇赛什腾山区域，平均海拔约4000米，足够高，还具有肉眼可见的繁星银河。

其次，选址要远离人造光源，因为大气中各种因素产生的散射会严重影响天文观测。冷湖选址之初，附近的冷湖镇只有二三百名常住人口，当地也没有会影响天文观测的强光污染。

第三，由于地球的大气不稳定，沿望远镜视线方向的无规律大气湍流会扭曲来自天体的光线，这就是所谓的“视宁度”。视宁度是指望远镜显示图像的清晰度，其好坏对于天文光学观测质量的影响非常大。科学家经过几番测量最终确认，赛什腾山上的视宁度为0.75角秒，这样的数据已可比肩国际一流的天文台——智利天文台的视宁度是0.80角秒、美国夏威夷莫纳克亚天文台的视宁度是0.75角秒。

第四，台址需夜空晴朗，否则看不见星空，这就涉及另一项核心指标“晴夜比例”。近30年的数据统计显示，冷湖的日照时长每年大概有3573个小时，每天平均10个小时，这意味着冷湖基本都是晴天。

（4）核心保护区半径达50公里

得天独厚的自然条件，使得冷湖可以建立天文观测基地，但科学家还有一个担忧：随着当地发展，冷湖有一天会不会也出现光污染？毕竟，此前一些与冷湖有着同样优良天文观测自然条件的地区，后面都出现了因城市发展造成的光污染，令人不得不舍弃。

我们前面说过，光学天文观测尤其注重夜空背景的环境，“暗夜星空”是天文观测基地的一个必要条件。通俗来说，“暗夜星空”指的就是当地夜空的暗弱程度。如果没有暗夜的话，所有的地面光学都会瘫痪，所以说“暗夜星空”对于地基这种科学研究，是非常宝贵、得天独厚的资源。

但是，人类的活动总是在不断推进之中。城镇和野外夜间灯光的使用，还有其它可以对夜间天文观测产生影响的工业活动，已经在国际上一些大型天文台附近发生，各国都在想办法应对。冷湖虽然在无人区中央，但丰富的矿产和自然资源（包括风能、太阳能）也是其重要的发展方向。如何平衡地区内的经济发展和光学天文台址的保护，是学界和政府需要协商并提出解决方案的一个课题。幸运的是，青海省各级政府把冷湖天文观测台址提高到了国家稀缺战略资源的高度，而其它发展项目在地域充足的海西州地区，也可以实现。

通过严格的数字模拟和对国际、国内光学天文台址现状和趋势的研究，研究团队得到了保护天文台大型光学望远镜运行的基本要素。在模拟计算中，以冷湖赛什腾山天文观测基地作为中心点，把发生在其他城市的光污染数值代入到冷湖，最终得出结论：以基地为中心50公里半径内的城市光污染，会对天文观测产生明显影响。因此，研究团队提出以天文台为中心设立核心保护区（半径50公里）和缓冲区（核心区至半径100公里的区域）的方案。

最终，经过海西州人大充分论证并经青海省人大审批，《海西蒙古族藏族自治州冷湖天文观测环境保护条例》于2022年9月制定，并于今年1月1日正式实施。其中明确，冷湖天文观测环境区域是指为保障冷湖天文观测基地光学观测环境所划定的区域，划分为暗夜保护核心区和暗夜保护缓冲区。

现在，冷湖赛什腾山天文观测基地仍在建设中。不久的将来，30多台天文望远镜将在同一片璀璨星空下，见证属于中国的世界一流天文观测基地诞生。毫无疑问，冷湖台址的发现打破了长期制约我国天文光学观测发展的瓶颈，为其发展创造了重大机遇。而且，冷湖所在的地理经度区域尚属世界大型光学望远镜的空白区，我们有理由相信，未来冷湖将跻身国际光学天文研究重要基地之列，成为国际光学天文发展的宝贵资源。

【延伸阅读】

冷湖观测条件有多好？

冷湖观测条件究竟是什么水平？为方便大家理解，在这里简要总结一下。

●晴夜时间占比多

冷湖台址区域的优质晴夜时间（天文上的测光夜）占比达70%，外加大约15%的部分有云的光谱观测时间，每年天文观测可用的时间达300天。

●地面层大气非常稳

根据实际测量，冷湖台址夜间气温起伏（峰谷差）中位值仅为2.5度，这意味着地面层的大气非常稳定。该区域的风以西北方向为主导，风速的中位值小于5米/秒。

●望远镜显示图像清晰度高

望远镜显示图像的清晰度（视宁度），取决于大气湍流活动程度。我们肉眼所见的星体闪烁现象，一般认为是由高层大气湍流所引起的，而望远镜清晰度不佳，往往是低层大气湍流所致。对天文观测而言，光学视宁度是最受关注的台址参数。截至目前，赛什腾C点的DIMM视宁度直接统计的中位值为0.79角秒（台址网站的统计数值），在剔除热点和天气影响后，截至2020年12月31日的DIMM视宁度中位值为0.75角秒，与世界其他顶级天文台相比，基本持平。

（图片由邓李才提供）

来源 北京日报客户端 | 记者 汪丹

编辑 蔡文清

流程编辑 马晓双