海外文摘——在南极的夜幕下




在南极的夜幕下
Gabrielle Walker 文 Shea 译
	当漫长的黑夜降临南极，天空变成了布满恒星的壮观天穹。在一个全新的基地，天文学家正以极大的勇气挑战严寒来建造可以和空间天文台相媲美的望远镜。　　对于南极洲上最新的科学基地中的13位成员而言，漫长的冬季终于结束了。11月初，在-80℃的严寒中与世隔绝9个月之后，第一架救援飞机载着新鲜食物、信件以及——可能是最大祝福的——新面孔抵达了。　　在相对暖和的南极海岸线上，有许多永久基地，但是康考迪亚（Concordia）是50年来第一个建在南极内陆的科学考察站。1995年以来这个考察站一直供欧洲冰心计划的夏季科考队员使用。而这个计划已于2004年12月成功结束了。今年第一个冬季考察队花了绝大部分时间完成了他们新家的架线和管道铺设工作，这是法国保尔·艾美利·维克多极地研究所（Polar Institute Paul Emile Vitor，IPEV）和意大利南极研究计划（Antarctic Research Programme，PNRA）的联合项目。　　但是他们的工作并没有仅仅局限在基础设施建设上。第一批冬季科考队成员、来自法国尼斯大学的天文学家凯辛·阿盖比（Karim Agabi）发现考察站在光学天文观测上大有潜力。康考迪亚也许是世界上最好的光学望远镜观测地点之一。那里的星光极为稳定，阿盖比说：“你真的会以为星星是被粘到天上去的。” 　　对于天文学家而言，南极高原有许多潜在的优势，例如大气中仅含有少量会扭曲入射星光的水蒸气。美国自然科学基金会已经在南极利用这些优势几十年了，证明那里是微波观测的绝佳地点。但是在普通的光学波段的尝试却受到了打击。其中一个原因就是频繁出现的极光，它会严重干扰天文观测。永恒的黑夜　　一个更大的问题是南极位于一个斜面上，因此从高出吹下来的风会形成厚度超过200米的湍流层。湍流会使得视宁度变差，而视宁度和星光抵达望远镜前所穿过的不同温度的大气有关。　　康考迪亚与之相反坐落在顶部平整的冰冠上，那里几乎没有风。同时，基地也位于通常的极光区之外。而与南极其他的高纬地区不同，康考迪亚的交通相对比较方便。夏季，人员和精密设备可以从意大利位于泰拉诺娃湾的沿海考察站通过飞机运送到那里。较重的设备则可以从1100千米外的法国的德蒙特德乌维勒沿海考察站通过冰上牵引车运抵康考迪亚。　　许多天文学家希望康考迪亚的视宁度可以和空间观测相媲美。但是和空间计划的数千欧元相比，这里每千克物资的运输成本只有几欧元。即使再算上设备的维护人员，整个运营的成本也便宜得多。　　阿盖比以及其他从尼斯大学来的科学家在过去的5个夏季中测试了考察站的观测条件。他们的白色望远镜就位于8米高的具有现代风格的平台上。这个平台由天文学家艾瑞克·阿利斯提第（Eric Aristidi）设计，具有类似艾菲尔铁塔底部的弧形结构，被称为“法兰西塔”。当他说服厂商以一个的价钱提供建造两个平台的建材的时候，原来的设计方案作了一点小的改动。因此现在你能看到两个具有金色弧形结构的平台并肩矗立在康考迪亚。正如阿利斯提蒂所承认的：“这个灵感来自艾菲尔铁塔，而不是麦当劳。” 　　尽管24小时都是白天，但是使用依然可以看到的测试星，夏季考察队的结果看起来很有希望。虽然当太阳位置最低的午夜时分视宁度很差，不过午后的视宁度比地面上其他地点的要好得多。因此在冬季极夜期间预计视宁度会进一步改善，届时光学观测就将成为可能。2004年冬季一架程控的澳大利亚望远镜的观测结果显示康考迪亚具有可以和空间观测相匹敌的视宁度。星空守望者　　但是对于澳大利亚人而言并不是每样事情都是按计划进行的。几个月后，这台被留在无人看管的绿色房子内的望远镜停止了工作，而且所采集的数据只到5月5日，也就是进入极夜的第二天。另外这台设备仅对地面以上30米的视宁度敏感，没有人知道地面附近的视宁度究竟怎样。　　因此今年，阿盖比志愿在冬季测试从尼斯带来的望远镜。对于长期在南极工作的人已经习惯了在-40℃的环境下工作，但是阿盖比发现冬季确实是一个巨大的挑战。每次去户外都要冒着被冻伤的风险，面部和手最容易被冻伤。当温度降到-70℃时，面罩在几秒钟内就会冻住，但是不带面罩又是不可能的。“每个人都被冻伤过，”阿盖比说。当你戴上连指厚手套的时候，像更换螺钉这样看似平常的事情也会变得非常复杂而麻烦。在温和一些的夜里，气温大约是-60℃，阿盖比要到户外观测星空拍摄照片。他自信会有一个完美的冬季。　　但是使阿盖比沮丧的是，随着冬季黑夜的临近，视宁度变得越来越糟。“我告诉自己，这是正常现象。大气需要时间稳定下来，”他说。然而，到了5月底，也就是进入极夜之后4周，他意识到这是一个严重的问题。　　澳大利亚的仪器是如何在这么差的视宁度下获得他们的测量结果的？阿盖比放飞气象气球来测量地面以上的湍流，他发现康考迪亚90%左右的湍流都集中在30米以下。“澳大利亚人一开始就位于这部分之上，”阿利斯提蒂说。　　康考迪亚的湍流是由于积雪与其上方空气的巨大温度差所造成的。那里的空气中几乎不含有水蒸气——地球上主要的温室气体——因此无法储存太阳的热量。所以当从极昼变为极夜的时候，空气对温度的影响非常小。但是积雪在夏季储存了大量的热量，在冬季就会缓慢地损失热量，冷却其上方的空气，产生温度不同的空气层。尽管康考迪亚的空气十分稳定，但是即使是最轻微的大气扰动都会使得望远镜中的星像跳跃闪烁。　　虽然阿盖比对此有点失望，但是这并非是灾难性的。许多望远镜可以架在25米高的平台上，不过为了确定湍流层在冬季是否稳定，阿盖比需要连续观测。因此在7月初，也就是距离极夜结束还有5周的时候，阿盖比说服考察站站长让他把望远镜放到康考迪亚24米高的屋顶上。　　这是一项艰难的工作。屋顶是倾斜的，而且仅有一条狭窄的楼梯通向天窗。于是康考迪亚的考察队员不得不在-80℃的气温下在完全的黑夜中为望远镜建造一个平台。卓越的任务　　结果是值得的。最终在湍流层之上，望远镜观测到了天文学家期望的视宁度。“窗户是脏的，但是我把它擦干净了，”阿盖比说，“通过它，我看到了真正高质量的观测地点。” 　　回到尼斯，阿盖比的同事忙于想办法对付康考迪亚未曾预料到的湍流层：大的防风墙或者是新的自适应光学系统也许可以克服星像的跳跃。在康考迪亚，风几乎都是从同一个方向吹来的，因此一个屏障就能防止甚至是最微小的空气扰动。如果这两个方案都不奏效，那只有建造高塔了。“在30米的高度上，我们的工作和在太空中的实际上差不多，”阿利斯提蒂说。　　澳大利亚科考队成员、来自新南威尔士大学的约翰·斯多瑞（John Storey）对此表示同意。“30米高确实有点让人失望，但是它不应该是终结者，”他说，“世界上绝大多数的4米望远镜都建在30米或者更高的地面上。”他的小组已经开始为将来安放望远镜的塔和雪山建立空气动力学模型。　　阿利斯提蒂已经抵达南极，接替阿盖比为康考迪亚第二个冬季做准备。他带去了可以更为精确测量湍流的设备，而且他还会进行红外测量。低温和缺少水气意味着即使是在夏季这里的红外背景噪音也是非常低的。意大利佩鲁贾大学的一个小组希望在2007年1月能安装一架红外望远镜。　　从长远看，康考迪亚的大型天文项目有很多，其中一个就是建造由50架小望远镜组成的阵列来寻找与地球类似的行星。虽然如果每架望远镜都需要一个很高的平台会使这个项目丧失吸引力，但是现在能与之竞争的也只有空间计划。　　在这种情况下，阿盖比认为建造一台大型设备也许是一种方案。建造一座塔总是容易的，而且他们可以通过陆路运送大的部件。他说，做大很重要。“这是真正的绝佳观测地点，”他说，“值得真正的大项目投入。”
出自：Nature 发布日期：2005-11-24

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