□ 弗吉尼亞大學(xué)天文系 孫 萌 黃辰亮

美國西南部重要觀測基地概覽（五）

□ 弗吉尼亞大學(xué)天文系 孫 萌 黃辰亮

為期9天的美國西南部重要觀測基地之旅中的前4天，我們幾乎一天換一個地方，參觀了我系有觀測時間的幾處天文臺。而后面的5天，我們則在阿帕奇波因特天文臺（Apache Point Observatory，以下簡稱APO）駐扎下來。在參觀APO之余，我們用APO的一臺3.5米望遠(yuǎn)鏡完成課程觀測項(xiàng)目，積累大型天文望遠(yuǎn)鏡觀測經(jīng)驗(yàn)。

（二）3.5米望遠(yuǎn)鏡與激光測地月距實(shí)驗(yàn)

后面幾天我們陸續(xù)參觀了APO的3.5米望遠(yuǎn)鏡，并用之做課程項(xiàng)目。我系每年有40個APO3.5米望遠(yuǎn)鏡“半夜”的觀測時間，比較均勻地分布于每年的四個季度里?！鞍胍埂笔茿PO分配望遠(yuǎn)鏡時間的一大特點(diǎn)，由于APO3.5米望遠(yuǎn)鏡切換不同系統(tǒng)終端（光譜儀或相機(jī)）的速度很快，所以每夜可以有兩批人來進(jìn)行不同的觀測。如果系統(tǒng)切換很慢，則每夜只能供一組觀測人員使用，然后等到第二天再換人。有月亮的夜晚，天空背景亮度比無月夜亮得多，因此很多暗源的觀測必須要在無月夜進(jìn)行。由于月相的原因，每個月實(shí)際上只有很少的幾個沒有月光干擾的無月夜。把夜間觀測時間分半，就可以分出更多的暗夜，方便對月光干擾要求嚴(yán)格的項(xiàng)目進(jìn)行觀測。

不同于天文愛好者手中數(shù)碼單反里面的CCD，職業(yè)天文觀測所用的CCD，曝光之后讀取的速度很慢，這是為了減少讀取產(chǎn)生的噪聲。且讀取速度和曝光時間幾乎無關(guān)。我們做的課程項(xiàng)目，是根據(jù)已經(jīng)給定的幾個源，在觀測之前查好各個源過中天的時間，以確定觀測順序。由于天體在天頂附近時，星光穿過的大氣相對薄，所以理想情況即是在天頂附近觀測目標(biāo)源。課程中由三人組成小組，一人負(fù)責(zé)用電腦控制望遠(yuǎn)鏡曝光，一人負(fù)責(zé)記錄觀測日志（每次的曝光時間、存儲名、對應(yīng)的觀測源和所用濾光片等），一人負(fù)責(zé)查看前一張的曝光結(jié)果。另外還有一名APO的工作人員在控制室確保望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行正常，并完成對觀測源的對焦等任務(wù)。但在實(shí)際觀測時，這些工作其實(shí)只需要一位觀測者在APO的工作人員配合下即可完成。APO3.5米望遠(yuǎn)鏡允許遠(yuǎn)程操控，觀測者可以通過軟件在自己的辦公室里檢測天氣，改變望遠(yuǎn)鏡指向，設(shè)置曝光時間，并與位于現(xiàn)場的工作人員保持聯(lián)系。但是為了獲得遠(yuǎn)程操控望遠(yuǎn)鏡的許可，觀測員必須有至少4天的現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)，這也是我系為我們安排這次旅行的最主要目的。

我們待在APO的這幾天中，最酷的實(shí)驗(yàn)要數(shù)用這個3.5米望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行激光測地月距了，如圖1。激光測地月距（Lunar Laser ranging，以下簡稱LLR）可以達(dá)到難以想象的高精度。我們可以借此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證廣義相對論對于地月系統(tǒng)相比于牛頓力學(xué)的修正效應(yīng)，并據(jù)此驗(yàn)證廣義相對論所基于的弱等效原理等。

APO的LLR實(shí)驗(yàn)。圖中激光脈沖實(shí)際直徑為3.5米，單個脈沖有兩厘米厚。圖中可見淡淡的銀河，銀河下部的亮星為金星。為防止月亮過曝，我用樹木擋住了月光。

在阿波羅11號登月之后，LLR就開始展開工作了。阿波羅11號登陸月球表面時，當(dāng)時的宇航員們放了第一塊角反射器于月球表面。隨后阿波羅14號、15號登月，加上蘇聯(lián)的月球步行者計劃，人們在月球上總共放置了五塊角反射器。月球上的角反射器，原理和公路兩側(cè)的各種指示牌是一個道理。角反射器的形狀就是正方體的一個內(nèi)角，三面全可反射光。其特點(diǎn)是無論光從哪個方向射入，都會被沿來路反射回去，所以我們不必在另一個特定的角度來接收返回的激光信號。由于月球上有不止一塊角反射器，所以做LLR實(shí)驗(yàn)時，望遠(yuǎn)鏡會向一個角反射器發(fā)射一段時間的激光脈沖，而后工作人員令其停下，更改望遠(yuǎn)鏡指向，瞄準(zhǔn)下一個角反射器，再發(fā)射一段時間激光脈沖。

APO所在的新墨西哥州非常干燥，大氣透明度、視寧度都很好，APO的工作人員做LLR實(shí)驗(yàn)（這個特別的項(xiàng)目被稱作APOLLO，即APO Lunar Laser ranging Operation，與阿波羅計劃同名）時，我們看到的激光脈沖并不明顯，感光度開到800，曝光40s以后才略顯原型。如果激光脈沖可明顯被肉眼看到，反而不是好事，說明當(dāng)時的大氣很渾濁，激光穿透大氣的效率很低，大多數(shù)能量都被大氣所散射。

APOLLO實(shí)驗(yàn)發(fā)射激光和接收反射光都是使用這個3.5米望遠(yuǎn)鏡，其每秒發(fā)射二十個激光脈沖，每個脈沖有大約1017個光子，持續(xù)100 ps（10-10s），每個脈沖對應(yīng)的長度為兩厘米。原本直徑3.5米的激光，在經(jīng)過了38萬千米的路程到達(dá)月球表面之后，其光斑直徑達(dá)到2千米，這主要是由大氣湍流引起光束發(fā)散。隨后，激光在被角反射器反射時，由于小尺寸的反射器對光的衍射效應(yīng)，返回光束更加發(fā)散，我們在地面上接收到的光斑直徑此時增加到了15千米。在發(fā)射脈沖的間隙，望遠(yuǎn)鏡切換到光度計模式，探測反射回來的光。取決于當(dāng)時的天氣狀況，每個激光脈沖平均只有0.05～10個光子最終返回地球并被3.5米望遠(yuǎn)鏡探測到。所以圖1中拍攝的激光，全為發(fā)射過程中被大氣散射的激光，而非從月球反射回來的激光。此外，由于激光有良好的單色性，我們可以利用一個窄帶濾光片挑選出激光頻率的光子，避免月光干擾接收返回的光子。

早先的LLR即達(dá)到了誤差不超過25厘米的精度，相對于地月約38萬千米的距離，這個精度已然驚人。到如今，LLR的誤差已經(jīng)縮小到了毫米量級。

（三）SDSS及其APOGEE子項(xiàng)目

我最早認(rèn)識斯隆數(shù)字化巡天項(xiàng)目（Sloan Digital Sky Survey，簡稱SDSS），還是高中時讀《天文愛好者》上樊曉輝老師的一篇文章了解到的。別看SDSS巡天所用的望遠(yuǎn)鏡口徑“只有”2.5米，但做出的諸多成果已不是我隨便寫寫就能羅列完的。我也親自體驗(yàn)了一把給SDSS巡天項(xiàng)目的2.5米望遠(yuǎn)鏡換光纖板的過程。

維護(hù)SDSS2.5米望遠(yuǎn)鏡的工作人員非常友善，他們知道我們來了，還特別邀請大家一起插光纖、給望遠(yuǎn)鏡換光纖板。SDSS的光纖板為鋁制，每塊板子對應(yīng)天上的某一片天區(qū)。根據(jù)星星的位置，工作人員會往板子上鉆上很多小孔，然后在孔上插上光纖，把收集的星光傳到終端設(shè)備上去。這些鋁板都是一次性的，做完某片天區(qū)的巡天任務(wù)后，鋁板就收起來不用了。SDSS的官方博客還介紹過科研人員是怎么對這些鋁板進(jìn)行廢物利用的，頗有意思，對此感興趣的讀者可參考http://blog.sdss3. org/2014/09/19/sdss-plates/。SDSS內(nèi)部人員可輕松獲得一塊廢舊鋁板以作紀(jì)念，對SDSS子項(xiàng)目有貢獻(xiàn)的人員也都有可能獲得一塊鋁板。APO隔壁的太陽天文臺的游客中心里，也有從直徑為60厘米的完整鋁板上裁下的巴掌大小的鋁板出售。

SDSS2.5米望遠(yuǎn)鏡旁邊器材室里存儲的鋁板，這些只是“冰山一角”而已。

我有一天的前半夜沒有觀測任務(wù)，于是繼續(xù)了當(dāng)時還不太嫻熟的拍照業(yè)務(wù)。我在APO的那些天，月相都是上弦月，故而可以不用補(bǔ)光（當(dāng)然我也不敢補(bǔ)光）就把星空和2.5米的SDSS巡天望遠(yuǎn)鏡攝入其中，如圖3。后來我在SDSS望遠(yuǎn)鏡附近碰到了前來換光纖板的工作人員，于是被邀請一起參與換光纖板。SDSS的工作人員事先在上午把光纖都插好在鋁板的一面，整個操作過程是在一個底部為鋁板、側(cè)面開放的圓柱形容器（Cartrige）中，如圖4。每個板上有約1000個孔，對應(yīng)1000根光纖，但工作人員在插光纖時不必記住哪個孔/哪顆星應(yīng)該對應(yīng)哪根光纖。當(dāng)所有光纖各就各位之后，工作人員通過特殊儀器往每根光纖里照射光，然后觀察所有光纖的另一側(cè)，哪根亮了，就可確定光纖所對應(yīng)的恒星了，儀器會做好記錄。

SDSS2.5米望遠(yuǎn)鏡在月光下的巡天觀測。

SDSS的技術(shù)人員在鋁板上插光纖。圖片來源：http://newscenter.nmsu. edu/Articles/view/8899。

此外，圖3中是SDSS在進(jìn)行APOGEE（The Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment）項(xiàng)目的觀測。APOGEE進(jìn)行的是紅外巡天，即光纖后面的終端是紅外接收器。根據(jù)瑞利散射原理，波長長的光不易散射，所以月亮在紅外波段的大氣散射非常弱。當(dāng)月亮不在望遠(yuǎn)鏡視場內(nèi)時，月光的紅外部分幾乎不影響目標(biāo)源，所以APOGEE巡天在有月夜也可以高效運(yùn)作。

從存放APOGEE儀器的屋外看SDSS2.5米望遠(yuǎn)鏡所在建筑。圖中部的軌道，可使軌道上面的梯形房子向后滑動，露出里面的SDSS2.5米望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測。

APOGEE項(xiàng)目的目標(biāo)在于探索銀河系的形成和演化，所以項(xiàng)目所選的源大部分都是銀河系以內(nèi)的紅巨星，約10萬顆，但也有離我們相對近的M31仙女座大星系中的恒星。另外，由于銀河系附近的矮星系有些正在和銀河系進(jìn)行融合，所以臨近矮星系的恒星也會被觀測。因?yàn)榧t外光相對可見光更易穿透塵埃，所以APOGEE項(xiàng)目可以探測到銀河系銀盤附近的恒星，那里是塵埃非常厚的地方。有趣的是，玻璃對于紅外光是不透明的，故而APOGEE儀器里面的透鏡是用單晶硅制成的。整個儀器是在我系的紅外實(shí)驗(yàn)室里組裝而成，然后運(yùn)到APO去的。SDSS2.5米望遠(yuǎn)鏡建筑的下層，即是APOGEE的存放地點(diǎn)。

APOGEE項(xiàng)目的首席科學(xué)家就是我們這門觀測課的老師，史蒂夫?馬耶夫斯基（Steve Majewski）教授。他在給我們介紹APOGEE的時候真是充滿了興奮與自豪，不禁再次證明了這一點(diǎn)：這些學(xué)術(shù)大牛們確實(shí)都非常熱愛自己的老本行，哪怕突破層層困難和壓力、在激烈競爭的北美學(xué)術(shù)圈拿到終身教職之后，工資才達(dá)到中產(chǎn)水平。在這個動輒“成功=高工資”的浮躁年代，我著實(shí)佩服那些還在一心做學(xué)術(shù)的人，也想成為那樣的人。

結(jié)語：

短暫的9天轉(zhuǎn)瞬即逝，盡管我們在寫本篇的時候已經(jīng)距離西南游過了一年，但許多場景依然記憶猶新，也讓我這個從愛好者做起的門外漢，長了不少見識，讓我更加堅定地認(rèn)為這是最好的專業(yè)、最棒的職業(yè)。許多我們?nèi)ミ^的地方，都是土豪們一擲千金也到不了的地方。每當(dāng)看網(wǎng)上總有人自嘲窮苦博士在生活上如何捉襟見肘、誤以為讀博能找更賺錢的工作結(jié)果被坑等等，一開始我還是呵呵而過，看多了不免有些疲勞厭煩：對學(xué)術(shù)沒有很大熱情的人，何必給自己鍍個文憑的金還整天叫苦不迭，簡直浪費(fèi)教育資源。人得有點(diǎn)理想，尋一片寧靜之地，做自己真心熱愛的工作，我也慶幸我在很早就找到了自己真正想做的方向，比起這些，高薪豪宅確實(shí)吸引力不大。以此段結(jié)尾，雖看似跑題，但這其實(shí)正是我寫本文的目的：以一個“窮苦”博士的身份，向外界宣告天文人的生活可以很豐富。最后，由于我是做理論的，所以涉及觀測相關(guān)的細(xì)節(jié)，如描述有誤，還請讀者耐心批評指正。