中國青海北部，阿爾金山南麓的戈壁灘上，因湖得名的冷湖鎮(zhèn)坐落于此。這一無人區(qū)在上世紀六七十年代因石油而興，最終因資源枯竭而重歸寂靜。近年來的冷湖，則在以一種新的方式慢慢“回溫”——天文觀測。

《青藏高原上的冷湖天文臺址》（Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site）

北京時間8月18日23時，頂級學術期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了來自中國團隊的一項研究，題為《青藏高原上的冷湖天文臺址》（“Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site”）。研究團隊在青藏高原尋覓到一個新的潛在天文觀測點——冷湖天文觀測基地。該臺址坐落于冷湖鎮(zhèn)附近賽什騰山區(qū)域的一處峰頂，海拔4200多米，可以和夏威夷莫納克亞（Mauna Kea）這樣舉世公認的最佳天文臺址比肩。

冷湖臺址地理位置。

“綜合來看，這是一個世界級的天文觀測臺址?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、同時也是第一作者的鄧李才在接受澎湃新聞（www.xinlihui.cn）記者采訪時篤定地表示。該研究由中科院國家天文臺、中國科學院大學、西華師范大學、中國科學院地質與地球物理研究所、中科院紫金山天文臺青海觀測站等團隊的研究人員聯(lián)合完成。

鄧李才1993年在意大利國際高等研究院獲理學博士學位，1994年在意大利帕多瓦天文臺、1995年至1997年在國家天文臺（原北京天文臺）進行博士后訓練，1997年入選中科院百人計劃，1998年起任北京天文臺研究員。1999年至今，鄧李才任國家天文臺創(chuàng)新團組首席研究員。曾任國家重大科學工程項目LAMOST銀河系結構巡天科學工作組組長，負責組織LAMOST銀河系恒星巡天的科學計劃工作。

作者群像。中間是一幅全天相機圖像，圖右上側可以看到2020年最亮的彗星NEOWISE/F3。研究團隊供圖

這項研究的數(shù)據(jù)覆蓋2018年至2020年的整整3年時間。2020年12月20日晚，首臺到達冷湖賽什騰觀測基地的科學級望遠鏡50Bin成功實現(xiàn)科學觀測，得到的第一幅圖像測量顯示，星象的半高全寬是0.68角秒，與選址設備DIMM給出的視寧度測量值高度一致。鄧李才稱之為“賽什騰的第一縷光”。

截至目前，從已經(jīng)建成和正在建設的規(guī)模來看，鄧李才認為冷湖無疑已經(jīng)是“中國最大的天文臺?！备鼮橹匾氖牵兄暗谌龢O”之稱的青藏高原上是整個國際天文學界的向往之地，“在這里發(fā)現(xiàn)好的天文觀測臺址，是一個共同的愿望，而我們實現(xiàn)了這樣的愿望?！?/p>

“目前，能達到下一代望遠鏡建造和運行要求的優(yōu)良天文觀測臺址都在西半球，冷湖補上了東半球的缺失，這樣就可以形成一個24小時的監(jiān)測網(wǎng)絡，這是對全世界天文學界的貢獻?！编嚴畈疟硎尽?/p>

星空流轉：這是2019年7月27日夜（一般情況），全天監(jiān)控相機圖像制作的動畫。研究團隊供圖

下一代大型地基望遠鏡何處安家

中國地面光學天文裝置與國際的差距甚大。

上世紀90年代開始，國際上架起了十幾座8-10米口徑望遠鏡，這些具備成像觀測能力的通用型望遠鏡構成了目前全球領域內(nèi)的“豪華陣容”。不僅如此，三架30米級的望遠鏡也正在研制中，其中的GMT（巨型麥哲倫望遠鏡）已經(jīng)部分完成投入工作。

相比之下，中國光學望遠鏡目前最大口徑為位于國家天文臺興隆基地的2.16米口徑望遠鏡和云南麗江的2.4米口徑望遠鏡。而口徑更大的郭守敬望遠鏡（LAMOST）是一臺4-6米級的光譜巡天望遠鏡，它具備“普查”功能，但不具備成像觀測能力。

2016年底，《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規(guī)劃》（下稱“《規(guī)劃》”）正式公布，大型光學紅外望遠鏡被列入優(yōu)先啟動的10個項目。《規(guī)劃》明確提出，“優(yōu)選臺址，建設一架12米級口徑光學紅外望遠鏡，具備多目標、暗天體高分辨成像和光譜觀測的精測能力?！?/p>

12米級口徑光學紅外望遠鏡設施的建成，被認為將有助于使我國光學極限探測能力處于國際領先行列，大幅提升天文觀測重大發(fā)現(xiàn)的綜合能力，同時為相關領域的前沿研究提供重要支撐，帶動我國先進光學技術的創(chuàng)新發(fā)展。

下一代大型地基望遠鏡落在哪里？這是一個更需先行解決的問題，這項工作也被稱為臺址選擇。“專業(yè)的天文觀測臺址，實際上每一個都是經(jīng)過嚴格選址的?！编嚴畈盘岬?，無論是紫金山天文臺，抑或是興隆觀測站、云南天文臺，這些早期落成的天文臺都是經(jīng)過篩選評審決定的?！斑@些臺址在當時看來都是滿足需求的?！?/p>

然而，隨著經(jīng)濟條件、工程技術等限制因素的突破，天文學家們開始將下一代天文望遠鏡的臺址聚焦于更理想之地。“我們真正按國際標準去尋找臺址，實際上是從2000年左右開始?！?/p>

好的天文臺應該是怎樣的？鄧李才首先給出了一個大致的地域特色，“最好的天文臺現(xiàn)在都是在荒漠或者裸露的巖石上建成?！毕耐牡哪{克亞、智利的阿塔卡馬，這些頂級的天文臺無一例外?！拔覀儑鴥?nèi)現(xiàn)有的天文臺都在綠樹成蔭的地方，這實際上非常不利于天文觀測。”

2000年以后，中國的天文學家將眼光投向西部，在胡煥庸線以西以北的無人區(qū)，尋覓具有“國際范”的臺址。西藏阿里、新疆帕米爾高原的慕士塔格、川藏滇交界處的稻城，均在此后陸續(xù)成為候選臺址的熱門之地。

“2000年之后的這些工作，一開始僅僅是作為一種戰(zhàn)略儲備，我們知道未來可能會發(fā)展設備，先去找一找，但是并沒有一個具體的設備來驅動?！编嚴畈盘岬?，中國的天文學界真正為大型望遠鏡尋找臺址，始于2016年，“也就是為12米級口徑光學紅外望遠鏡選址。”

啟動較晚的冷湖不在當時的12米級選址之列，但它有另一番屬于自己的故事。

從德令哈一直往西，渺無人煙處

鄧李才從2009年開始深入青海，其團隊在中科院紫金山天文臺青海觀測站工作。青海觀測站于1982年開始建設，位于青藏高原、青海省第三大城市德令哈，這里海拔3200米，東經(jīng)97°33'.6，北緯37°22'.4。青海站也被稱為德令哈天文觀測基地。

“第一次去的時候，我到了西寧，找我一個大學同班同學，他在青海工作，他跟我說，你放望遠鏡為什么不放到冷湖？”在當?shù)厝说挠∠笾?，冷湖日光充足，晚上星空特別好。

什么是冷湖？“從德令哈一直往西開，開幾個小時見不到人煙了，那個地方就是冷湖?！边@是鄧李才第一次聽說的冷湖。

實際上，冷湖進入過中國天文學家的選址之列，隨后卻又被剔除。冷湖地區(qū)存在大面積的風蝕地貌，且比鄰塔克拉瑪干沙漠，“這個地方雖然日照好，夜空晴朗，但是它有風沙，不適合建設天文臺?！边@是前人下過的結論。

針對冷湖的風沙問題，鄧李才等人做了些功課，他更相信數(shù)據(jù)。“從科學角度來看，風沙是隨高度呈指數(shù)衰減的一種物理現(xiàn)象，我的判斷是，只要有山，風沙問題就應該不存在?！?/p>

鄧李才等人后來還專門為此購置了基于直接計數(shù)單位體積顆粒數(shù)原理的粉塵儀，對選定的臺址觀測點的顆粒物和氣溶膠進行了長期監(jiān)測。結果顯示，至少柴達木地區(qū)內(nèi)肆虐的風沙對4000米以上的地區(qū)沒有影響，冷湖候選臺址點的PM10指數(shù)通常只有個位數(shù)。直觀感受也支撐他們的判斷，在盆地沙塵暴之時，從C點可以清楚地看到沙塵頂部與藍天的明顯分界線。

“一定要到實地去看，通過數(shù)據(jù)給出答案，不能僅僅通過一些資料，這是不夠嚴謹?shù)??！?/p>

賽什騰山建設工地沐浴在日落的余暉中，水平線之下是略帶浮塵的柴達木盆地，一望無際。研究團隊供圖

真正抵達冷湖的契機發(fā)生在2017年?！拔以诘铝罟幸粋€項目，當時我去的時候條件還不錯，等我把望遠鏡架起來，開始工作以后發(fā)現(xiàn)德令哈變得太亮，我的工作就進行不下去了，當時就在想可能要搬到一個新的地方去?！焙髞碚驹诶浜^測臺址的山頂，鄧李才在夜空下曾說道，“對我們天文學家來說，篝火都是一種光污染?！?/p>

與此同時，地方政府也有著轉型發(fā)展的計劃，海西州希望打造冷湖天文科技和文創(chuàng)旅游產(chǎn)業(yè)基地。在德令哈大幅亮化之后，時任冷湖行政委員會副主任田才讓（現(xiàn)任柴達木循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)冷湖工業(yè)園黨委常務副書記、管委會常務副主任）給鄧李才帶去了一份紅頭文件，海西州啟動將冷湖全域1.78萬平方公里全部設成暗夜保護區(qū)的計劃。

“這給了我很大的信心，不光是我，這對以后建天文臺都是非常重要的一個標準。實際上，現(xiàn)在國際上所有的天文臺，都受到來自于地面的光污染影響，任何一個天文臺都有這個問題，而冷湖能夠在我們啟動之前就解決這個問題。”

論文中也寫道，光污染主要是人類活動的結果，青海省位于青藏高原，人口較少，目前不存在人工光源問題。但是，這并不意味著未來就不會發(fā)生工業(yè)發(fā)展。如果當?shù)厝丝陔S著經(jīng)濟的發(fā)展而增長，那么光污染也會不可控。

“科學研究和工業(yè)之間的這種潛在沖突需要一個解決方案?！编嚴畈耪J為，這一暗夜保護計劃也是此次發(fā)表論文的亮點之一，因此會受到全球更廣泛的關注。

抵達冷湖，爬山是生死考驗

2017年10月，鄧李才等人第一次來到冷湖，鎮(zhèn)東部的賽什騰山最終成為他們的首選目標。鄧李才此前在一篇撰文中曾寫道：這是天文學家以選址為目的第一次來到冷湖。

2018年2月16日，海西州政府州長主持會議，啟動冷湖天文選址項目。海西州提供全部選址經(jīng)費，并委托鄧李才項目組執(zhí)行。

心儀之地就在眼前，而困難才剛剛開始?！皩嶋H上，我們在2017年10月抵達當天就遇到了困難?！编嚴畈呕貞浀?，一行人當天抵達山腳下時正好入夜，“星空特別好，我還拍了星空，出來時天黑看不清楚路，當?shù)氐乃緳C知道方向，開到路邊上，離那條路只有50米，但我們花了兩個小時才上路，原因是那里有個光纜的大溝，汽車就在里頭轉，甚至發(fā)生陷車?！?/p>

值得一提的是，為便于選址項目的實施，海西州政府還決定由州財政支持，從山下修一條砂石路至選址點。然而，在花崗巖實體的山修路并非易事，“我們當時以為大概半年能修上去，最后我們發(fā)現(xiàn)半年下來只修了2公里，總共是15公里?！?/p>

交通不便的影響短時間內(nèi)無法消除。最初，研究團隊在山腳下建了臨時基地，觀測云量、天光背景和氣象參數(shù)。然而，像視寧度這樣的參數(shù)，則必須要到建設望遠鏡的目標點去獲得。

所謂的視寧度，是表征大氣湍流造成望遠鏡成像抖動的模糊程度，是光學紅外天文觀測臺址最重要的參數(shù)之一。視寧度數(shù)值越小，說明大氣湍流越弱，成像的角分辨率越高，望遠鏡對暗弱天體的探測能力就越強。當我們仰望星空，星星閃爍，就是這樣的大氣湍流造成。

第一次實地踏勘賽什騰山頂峰，比后來建設的C點高300多米。研究團隊供圖

2018年5月，海西州政府租賃的警用直升機來到冷湖，研究團隊經(jīng)過溝通后得以搭乘直升機實地考察山頂。首批抵達山頂?shù)氖青嚴畈?、田才讓及另一位道路設計公司負責人。

而登山還發(fā)生了一段小插曲。當被問及第一次到達山頂時的感受，鄧李才出乎意料用“悲催”二字來形容?！暗谝惶焐先サ臅r候，我是第一個從飛機上跳下去的，腳尖踩在那里，山上還有雪，我還留了一張照片，說這是人類在這座山上留下的第一個腳印。但悲催的是，第一次實際上上錯了，第二天我才真正到達我們后來的選址點?！?/p>

研究團隊當時并沒有好的技術方法確定山上的具體位點，完全憑感覺，而搭乘直升機飛到山頂和平時看衛(wèi)星地圖是“兩回事，區(qū)別很大”。第二天的上山則更為謹慎，直升機飛到山體上方后大概在空中盤旋了近40分鐘，最終確定了正確的位點，也就是海拔4200左右的一個點。

直升飛機運送選址的選址需要的基建物料，2018年7月。研究團隊供圖

隨后，這輛直升機還幫助研究團隊往山頂?shù)踹\了二十幾噸基建材料和相關設備，其中包括測量視寧度所需的一座10米高塔的建設材料。由于直升機運輸能力有限，吊運工作持續(xù)了近一周，“最忙碌的一天從山腳往山頂飛了80趟?！?/p>

登山途中與幫忙運送物資的藏族兄弟相遇，左一為鄧李才。研究團隊供圖

直升機的助力告一段落。“真正要上去搭建設備，我們就只能爬山?！编嚴畈艑⒅暈閳F隊遇到的最大困難，也是真正的生死考驗。攀登沒有路，團隊靠著自己的標記前進，山體險陡，而且人還是在高海拔狀態(tài)下爬山，“我們團隊每個人都是爬了幾十次?！?/p>

研究團隊在海拔4200米處的監(jiān)測始于2018年9月，1個月后，視寧度監(jiān)測也開始運轉。

2018年7月19日，選址點基建尚未完成。鄧李才（右）和楊帆（左）把視寧度監(jiān)測系統(tǒng)架設在選址點的地面進行了第一次試驗，結果是0.79角秒，非常令人振奮。研究團隊供圖

這里是冷湖，國際水平的天文臺址

三年的數(shù)據(jù)積累后，冷湖給出了怎樣的答案？“我們認為，綜合來看這個臺址是世界級的。”

鄧李才表示，冷湖臺址的一些參數(shù)比國際上最好的天文臺差一點，比如說晴夜的數(shù)量，“因為我們是一個大陸的站點，其他的都在海岸線上或者是海島，它們有天然優(yōu)勢?！钡瑫r有些參數(shù)要更好一些，“比如說像水汽，青藏高原非常高，所以它水汽普遍比較低，這就適合于作為大型望遠鏡的臺址。”

冷湖臺址和世界其他知名天文臺址參數(shù)比較。

從論文細節(jié)來看，為了評估冷湖的可觀測時間，研究團隊使用了一個自行二次開發(fā)的帶魚眼鏡頭佳能相機作為的全天監(jiān)測系統(tǒng)(LH-Cam)。自2018年3月開始，無論天氣狀況如何，白天每20分鐘拍攝一次全天圖像，黃昏至黎明期間每5分鐘拍攝一次。數(shù)據(jù)顯示，2018年到2020年期間,平均每年有超過90個完全晴朗的夜晚，完全晴朗連續(xù)超過4小時的有240個夜晚，超過2小時的有280個夜晚。

總的來說，冷湖臺址的優(yōu)質晴夜時間占比為70%，略低于Mauna Kea（76%）、Cerro Paranal（71%）、La Palma（84%）這三個站點。

差分圖像運動測量儀DIMM視寧度統(tǒng)計數(shù)據(jù)方面，研究總共收集了近50萬個數(shù)據(jù)點，最終有效測量數(shù)據(jù)為383825個。剔除熱點和天氣影響后，研究團隊監(jiān)測點視寧度的中位值是0.75角秒（1度=60角分=3600角秒），大約75%的數(shù)據(jù)低于1角秒。

論文中提到，對于尖端天體物理問題中非常微弱或高紅移目標的極端觀測要求，需要高空間分辨率和長時間曝光。良好的自然視寧度是自適應光學系統(tǒng)工作的關鍵要求，特別是對于大口徑望遠鏡。值得驕傲的是，冷湖與世界上其他已知最佳觀測點的總視寧度對比仍有著優(yōu)勢。

相較而言，冷湖的視寧度中位值與Mauna Kea相同，均為0.75角秒，而比Cerro Paranal（0.80角秒）和La Palma（0.76角秒）的視寧度中位值則要更好。

研究團隊認為，從總視寧度來看，冷湖可以與最成熟的觀測點相媲美，顯然也是青藏高原上目前監(jiān)測的最好觀測點?！叭蛑芯暥葏^(qū)這些最佳的觀測點，再加上冷湖，就形成了一個可能的最佳條件網(wǎng)絡，僅次于南極洲冰穹上的站址候選地。”

鄧李才等人認為，視寧度和晴夜質量俱佳，則是考慮未來潛在觀測點時的一個關鍵參數(shù)。為了定量評價冷湖觀測點的質量，他們根據(jù)每晚連續(xù)可用觀測時間(cAOT)的長度和DIMM視寧度的中位數(shù)定義了觀測點質量矩陣。

這也被鄧李才形容為是專門發(fā)明了一個天文臺的打分系統(tǒng)。在這套打分系統(tǒng)下，冷湖臺址得分為65%，和得分均為66%的Cerro Paranal(1999-2012)、La Silla(2000-2008)的相當，其中使用的數(shù)據(jù)均為公開可獲得?！盎谶@個原因，正如論文中提到，我們敢判斷說冷湖臺址是一個國際水平的臺址。”

在其他數(shù)據(jù)方面顯示，冷湖臺址夜間可沉降水汽柱密度在2毫米以下的時間占比（55%）優(yōu)于Mauna Kea（54%），遠優(yōu)于智利和其它地區(qū)的大型光學天文臺。

論文中提到，目前設計的所有大型天文觀測設施都是針對尖端科學目標，如極早期宇宙的物理學和尋找系外行星的生命跡象。為了實現(xiàn)這些目標，地面觀測通常是通過紅外波長自適應光學儀器進行。而可沉淀的水汽是實現(xiàn)這些科學目標的一個決定性因素。

溫度方面，實際測量顯示，夜間臺址點氣溫起伏（峰谷差）中位值僅為2.4度，這意味著地面層的大氣非常穩(wěn)定。該區(qū)域的風以西北方向為主導，風速的中位值為4.5米/秒。

建設中的賽什騰C點的觀測設施。

世界級的天文臺址將帶來什么效應？鄧李才回應道，“我們只是完成一個選址任務，但我們沒法決定將來的事情?！钡嘈?，一個優(yōu)良的臺址，自然會吸引到各地的天文學家。據(jù)其介紹，冷湖臺址在監(jiān)測數(shù)據(jù)積累兩年之際，即形成了總體判斷，同時受到外界關注。

公開信息顯示，今年5月11日，中國科學技術大學——紫金山天文臺2.5米大視場巡天望遠鏡項目在青海海西冷湖天文觀測基地開工建設，該望遠鏡建成后將成為北半球時域巡天觀測口徑最大、能力最強的望遠鏡，總投資為2億元。

隨后的5月27日，青海省政府與清華大學簽署“寬視場巡天望遠鏡（MUST）”項目合作協(xié)議，共同在冷湖鎮(zhèn)賽什騰山建設“寬視場巡天望遠鏡”項目，建設一架口徑6.5米的寬視場(光譜)巡天望遠鏡，并將該項目建成世界頂級天文大科學裝置。根據(jù)協(xié)議，MUST項目總投資額約13億元，建設周期7年。

而最早開始工作的是西華師范大學與國家天文臺合作的50厘米雙筒望遠鏡（50BiN）。鄧李才此前在一篇撰文中寫道：2020年12月19日，賽什騰山的天文基地實現(xiàn)了“初光”！彼時正逢一個優(yōu)質的觀測夜，第一幅科學圖像上恒星的半高全寬為0.68角秒，同時的DIMM值為0.60角秒。經(jīng)多次觀測證實，50BiN的天文觀測圖像與DIMM視寧度完全吻合。

“所以從已經(jīng)建成和正在建設的規(guī)模來看，冷湖已經(jīng)是中國最大的天文臺?！编嚴畈疟硎?，“冷湖或者更好的這種天文臺址，將會承載中國天文學科未來的發(fā)展。”

由2020年春分和秋分的全天相機夜間監(jiān)控照片合成的24小時星軌圖。研究團隊供圖

值得一提的是，除了成為國內(nèi)新崛起的最大天文臺址，冷湖也有著其全球價值?！耙恍O致的物理環(huán)境會發(fā)生一些跟基本自然規(guī)律相關的物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稍縱即逝，現(xiàn)在能對這些現(xiàn)象取得成果的優(yōu)良的天文臺全部分布在西半球，東半球整個區(qū)域都沒有?！编嚴畈盘岬?，這也就意味著，有一天如果發(fā)生這么一件事情，但是它發(fā)生在西半球的白天，那么天文學家就錯過了這個取得重大原創(chuàng)性科學成果的機會。

“冷湖在東半球上補上了這個點，我們就形成了一個24小時可以監(jiān)測的網(wǎng)絡，所以這也是對全世界天文學界的一個貢獻?！?/p>

2020年4月13日，全天相機監(jiān)控照片的投影轉換，完整的銀河拱門與賽什騰主峰相互映襯。研究團隊供圖。