“坐地日行八万里，巡天遥看一千河。”
一直以来，浩瀚的星空都寄托着人类无限的遐想，随着天文学的进步，天文观测技术也在不断发展。
2021年12月25日，哈勃望远镜的继任者，韦布望远镜成功发射升空，它将接替“前任”的工作，继续担任“宇宙之眼”的工作。与此同时，我国的太空望远镜计划也在紧锣密鼓的筹备中，预计到2024年，中国也将发射自己的“哈勃望远镜”——巡天望远镜，进一步推动深空探测的发展。
其实，除了太空望远镜，地面上的天文观测场所也是人类了解宇宙的重要途径，今天就让我们一起来看一下，观测星空时需要知道的那些事吧。
人类仰望星空的历史
在古代，人们进行天文观测时，由于没有辅助工具，只能通过肉眼进行观测，因此出现了大量像我国琅琊台、陶寺，两河流域的月神台这样，位置好，视野开阔的“观星台”。
中国古代观星台
1608年，荷兰眼镜商人李波尔赛偶然发现两块镜片叠加能够看清远方，并制作出人类历史上第一架望远镜。
伽利略受此启发，于1609年发明了一种以凸透镜为物镜，凹透镜为目镜的光学系统，被称为伽利略式望远镜。伽利略利用这台望远镜创造了大量天文观测成果，发现了月面大量的环形山，绘制了历史上第一幅月面草图；发现了木星的四颗卫星；观测到了土星的“光环”……天文学从此进入望远镜时代。
随着技术的发展，望远镜的各种缺陷在被不断修正的同时，其本身也在朝着大型化、巨型化的方向发展。1938年，人们捕捉到来自银河中心方向的天体的无线电波，天文观测中又一重要成员，射电望远镜由此诞生。
射电望远镜是用来观测和研究来自天体射电波的基本设备，与熟知的光学望远镜不同的是，射电望远镜并没有光学镜头，它由天线和接收系统构成，天线就好比射电望远镜的眼睛，用来收集宇宙中微弱的无线电信号，再经过接受系统将信号放大，最终从噪音中分离出有用的信号供科学家研究。500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）的建成，更是意味着我国射电天文学已经走向世界前沿。
“看星星”的地方有讲究
就拿上文提到的世界上最大的“天眼”来说，FAST建于贵州省平塘县，之所以选择这个地方，也是在全国范围内经过层层选拔的。首先建造地内的岩体结构、水文情况、长短轴比例、挖填方率是否合适；圈梁合拢情况、几何形状是否达标；整体的地质灾害、地震风险、气象条件、无线电环境等都是选址要考虑的范畴。
FAST位于喀斯特地貌区，岩石透水性强，有利于地表水向下渗透，利于整体的排水，而且此地人口稀少，周围高山环绕，能够有效屏蔽周围的无线电磁波干扰。这些要求也是射电望远镜选址时需要综合考虑的方面。
2021年12月19日拍摄的“中国天眼”全景
（维护保养期间摄，无人机照片）新华社记者欧东衢 摄
当然，不止是射电望远镜对于选址的要求如此苛刻，基地光学天文的选址同样也非常严格。
首先需要被纳入考虑的是气象因素，云量的多少直接影响到观测时间的长短，而大气的吸收也会使星光减弱，除此之外，大气温度和密度起伏引起的折射率变化都会影响图像质量。因此天文观测的地点需要干燥少雨，大气稀薄，最好还能“寸草不生”，避免植物蒸腾作用产生的水汽对天文观测质量造成影响。
其次，人造光源带来的光污染会使夜天光增亮，空气中的烟雾、粉尘会增加大气吸收，无线电发射台发出的电波还会对射电观测产生影响，因此，天文观测最好能够避开人口密集区域。
说到专业天文台的选址标准，还有两个概念，是我们必须了解：大气湍流和视宁度。
大气湍流是一种大气不规则的随机运动，湍流每一点上的流动速度、压强、温度等物理特性都在不断地发生变化。在天文学中，大气温度或大气密度随机起伏会引发折射率场湍动，这些改变都会严重影响光学成像系统的观测质量，因此大气湍流对天文学家而言是一项至关重要的指标，也是天文台建设过程中一项至关重要的基础性工作。
大气的湍流活动强度会影响望远镜显示图像的清晰度，而用来描述天文观测目标在大气湍流的影响下看起来变得模糊和闪烁程度的物理量，就是视宁度。视宁度小的地方，不仅更容易捕捉到高质量的天文图像，还能有效降低天文观测成本。
因此，我国的天文台在选址时需要将气象，晴夜占比，天文大气视宁度，天光背景等一系列检测指标考虑在内。例如我国著名的紫金山天文台，就选址在南京市玄武区紫金山上，那里云量相对较小，温度低，空气稀薄、清新，能够在一定程度上避免环境因素对观测效果的影响，满足观测需求。而位于青海冷湖，赛什腾山上的冷湖天文观测基地，更是被誉为“拥有整个欧亚大陆上最澄澈的星空”。
而举世瞩目的黑洞照片诞生，其中也有上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜协同观测的功劳。
在地球上最冷的地方看星星
探索的脚步永不停止！2009年，我国在南极冰穹A地区选址并建成的天文台昆仑站，在选址时就充分考虑了大气湍流和视宁度两项指标。而南极冰穹A地区的大气湍流主要在近地表的边界层，而之上的自由大气非常稳定，因此具有良好的视宁度。
2020年发表于著名国际学术期刊《自然》第583卷上的研究成果表示，昆仑站坐在的南极冰穹A地区，光学天文观测条件优于已知的其他任何地面台址，为我国进一步开展南极天文研究奠定了科学基础。
就这样，中国的天文学家们在地球最寒冷的大陆上，发现了最澄澈的星空，这一成果也必将在人类探索星空的历史上留下浓墨重彩的一笔。
创作团队：中国科学技术馆新媒体团队
审核专家：鲁暘筱懿 行星物理学博士
本文来自：中国数字科技馆
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