观“天”需“地”利， 哪里才是望远镜最好的家？

科学史上曾有一个有趣的故事。
1998年，澳大利亚的科学家用射电望远镜接收到了一种异常强烈的脉冲信号。这种信号在十几年里被观测到了40多次，平均一年只有几次，但出现时间毫无规律。
当时大家都以为这是一个历史性的发现，于是提出了各种猜想。甚至还有人认为这是外星人发出的联络信号。直到17年后，一个科学家发现接收到的信号其实是实验室中的微波炉发出的，这个谜题才宣告破解。
天文是一门观测和发现的学科，在9个与天文有关的诺贝尔奖中，有7个是观测上的发现。而望远镜是人类观测、探索未知的重要手段，刚刚提到的射电望远镜便是天文望远镜的一种。
根据观测波段和手段的不同，天文望远镜可以分为光学望远镜、射电望远镜、空间望远镜等。除了望远镜自身的性能会影响天文观测效果外，人类活动对天文观测也会产生巨大的影响。这也是为什么天文望远镜的选址和建造都会非常讲究，因为稍有“不慎”，就会被误导。
那么，如何给天文望远镜选择一个合适的位置呢？今天我们就来详细介绍一下。

图片来源：veer图库
Part.1
光学望远镜：太亮了不行，被大气活动干扰也不好
观测星空时，“光污染”是光学望远镜最不想看到的。
“光污染”是指非必要或多余的强迫光对人类与地球自然生态造成的不利影响，包括白天的白亮污染（如建筑物反射太阳光）和夜晚的人工白昼污染与彩光污染。
光污染对天文观测的影响主要表现在两方面：一方面，它会使夜天光背景（夜晚天空背景的亮度特征）越来越亮，导致天体亮度和夜天光背景的反差降低，继而影响观测的极限星等（即可以看到最暗星的星等值）。一般来说，人造光污染造成天光亮度增加为原来的5倍时，可观测到的最暗星的星等将增亮近2等。
另一方面，它会使天文观测时的信噪比（观测天体得到的信号与噪声之比）降低。一般来说，信噪比越高观测效果越好，可靠性越高。较暗星体若想达到与明亮天体同样的信噪比，需要更多的观测时间，也就是观测效率相对更低。因此，若由于人造光污染造成天光亮度增加为原来的5倍，则观测天体的信噪比将降低为原来的约40%，这对于较暗星体的观测几乎是致命的。
对于天文观测来说，光污染会严重影响观测质量，削弱对暗弱天体的观测能力，甚至导致有些天文台不得不“搬家”，或是修建新的观测基地以求避免光污染带来的影响。例如，1947年，著名的格林尼治天文台因此向南迁移了70千米。
在我国，为了避开渐趋严重的光污染，上海天文台佘山观测站在浙江安吉新建了观测基地，南京紫金山天文台在江苏盱眙修建新站，云南天文台也在丽江的偏远山村建造了新的观测点。
目前国际上的大型天文台都已制订了相关法律法规控制周边的光污染对天文观测研究的影响。我国新建的天文台，如西藏阿里天文台等也在附近建立了暗夜自然保护区以保障其台址条件。国际天文学联合会（IAU）还建立了专门的B7委员会致力于保护已有及潜在的天文台址，以避免其遭受各种波段电磁辐射的污染（包括可见光污染及无线电波干扰等）。

在国际空间站上拍到的北京和天津夜景
（图片来源：NASA）
除了考虑光污染，光学望远镜选址还有很多讲究。
“星星眨着眼，月亮画问号”，星星之所以“眨眼”，是因为光线在穿过地球大气时会受到大气湍流的扰动，从而发生无规律的折射。同时，地球大气也会对光线产生吸收、散射等效应，影响光学望远镜对星体的观测。因此，在光学望远镜选址时，尽量减少大气活动的干扰是最重要的选择指标。
从气候条件考虑，优秀的天文台所在地应该满足气候干燥、晴朗天气较多、大气稳定（气温较为恒定）等条件。我国天文台大多傍水而居，因为水可以扮演“恒温器”的角色，降低热对流引起的大气湍动，使得视宁度（望远镜显示图像的清晰度）得到改善。

国家天文台怀柔观测基地
（图片来源：作者制作）
世界上重要的光学天文台所在地，如夏威夷的莫纳克亚山、加那利群岛的拉帕尔玛岛、南美阿塔卡玛沙漠等的视宁度条件都很理想。我们可以看出，这些天文台大多分布在水边、山顶或是沙漠中，这些地区可以尽可能地满足以上条件。但人类活动对这些天文观测点产生的影响目前也越来越大。
以阿塔卡玛沙漠为例，这里被誉为世界天文之都，分布着众多天文台。观测数据显示，在过去40年间，沙漠的平均气温升高了1.5摄氏度，这将阻止仪器冷却，增加天文台发生故障的可能性。
同时，阿塔卡玛沙漠也是世界上最干旱的地区之一，平均年降水量在0.1毫米以下。但近些年来，全球变暖导致极端天气增加，沙漠的降雨量反而开始上升，2015年的一场降雨为近7年降水量的总和。晴天的减少会使可观测天数下降，不可避免会对观测产生影响。
同时，气温升高还会导致山火增加，对天文台造成巨大威胁。以2020年的加州山火为例，隐山（Hidden Hill）天文台被烧毁，而距离不远的威尔逊（Wilson）天文台也曾一度被山火侵蚀到距离约150米的地方，经消防人员全力扑救才幸免于难。同时，消防人员也拯救了有133年历史的利克（Lick）天文台，当时山火已经一路烧到了山顶，万幸的是所有的设备都逃过一劫。

利克天文台
（图片来源：https://www.cnbeta.com/）
除了这些直观感受到的状况之外，还有很多变化是悄无声息的：比如温度升高引起的大气湍流增加，会限制望远镜的观测能力；空气污染造成空气中气溶胶的数量增加，会减少望远镜观测到的光量。
也许有一天，望远镜里看到的星空，会是灰蒙蒙的一片。
Part.2
射电望远镜：想在无人区度过这一生
说完了光学望远镜，我们来说说好像不那么常见的射电望远镜。射电望远镜分为单天线、射电阵（综合孔径）、甚长基线干涉等多种类型，在我国最为人所知的便是贵州的500米口径球面射电望远镜（FAST），它总出现在大家的假期打卡榜单上。
虽然景区做出了明确规定，设置每日旅客上限，也禁止携带任何可以发射信号的东西，但是这些措施并不能杜绝人类行为对FAST产生的影响。如果可能的话，也许FAST只想待在无人区，安安静静做一个望远镜罢了。
射电望远镜接收来自遥远天体的电磁辐射信号。FAST的灵敏度很高，可以接受到来自宇宙中极为微弱的信号，这对于探索遥远的未知领域具有重要意义。但是，在其工作期间，若附近有辐射电磁波存在，就会对它的工作产生很大干扰。
为了保障FAST的正常工作，当地政府特地发布条例，规定在FAST半径5公里的核心区内严禁设置、使用无线电台，严禁建设产生辐射电磁波的设施。这意味着在该范围内将不得使用手机、电视、微波炉、电磁炉、汽油车等。
此外，游客来往产生的震动或是背景噪声，也会对精密仪器产生巨大影响，使得FAST的数据质量下降。

FAST望远镜
（图片来源：作者制作）
Part.3
空间望远镜：小心星空中的潜藏“杀手”
前面提到的这些影响都是可以人为解决的，但漂浮在宇宙中的空间望远镜却得面对一些不可控因素的影响，比如——空间碎片。
“空间碎片”是指在地球轨道上运行的或正在进入大气层的一切人造的、但已经失效的物体及其部件。简单来说，就是地球轨道上运行的失效航天器或其碎块。
从人们开始太空活动以来，空间碎片的数量便逐年增加。废弃航天器或者航天器、因为解体造成的碎块是空间碎片的主要来源。有时，人类自身的活动也会制造大量空间碎片。比如，1963年，美国为了发展通讯，曾将3.5亿枚铜针播撒在极地轨道，形成一个铜针带。然而，这些铜针并没有起到预想中的作用，有相当多的一部分铜针在完成了最初始的无线电反射任务后，便偏离了预定的轨道，长期在太空中停留。
1980-1988年间，苏联发射了16颗核动力海洋监视卫星，并采用液态金属NaK作为冷凝剂，在卫星结束工作后将反应堆的核心抛出。据估计，约有264000个冷凝剂颗粒滞留在轨道上，成为空间碎片的一部分来源。同时，航天员的生活垃圾、个人物品（比如航天员爱德·怀特的手套）也成为了相当“有趣”的太空垃圾。
空间碎片在轨道上与航天器的平均相对运行速度大约为10km/s，在如此高速的条件下，哪怕只是毫米级的碎片撞击，都可能使航天器外壳被击穿，甚至造成航天器解体。
很多回收器的表面坑坑洼洼，这便是碎片撞击留下的痕迹。下图中展示了著名的空间望远镜——哈勃望远镜的撞击伤。1999年12月，宇航员拍摄了哈勃外壳的所有可见区域，辨认出明显的高速撞击特征共571处，平均冲击密度约为每平方米45处。

哈勃望远镜的撞击坑
（图片来源：NASA）
由于空间望远镜大多直接裸露在太空中，因此空间碎片时刻威胁着它们的安全，甚至导致其完全无法工作，比如XMM-牛顿卫星因为电荷耦合器件（CCD）就被撞击而失效。
一般来说，对于厘米级以下碎片，应主动增加防护层，尽可能减少撞击伤害；对于厘米级以上碎片，则需要进行编号，主动规避。
虽然各个国家也在想办法进行积极应对，提出了机械臂、激光、轻气炮等方法进行捕捉或烧毁。国际上也成立了合作组织——“机构间空间碎片协调委员会（IADC）”，旨在携手各航天大国，共同应对空间碎片问题。但目前来看，这些措施大多收效甚微。
提到空间中的飞行物，就不得不再说一下著名的“星链计划”。该计划打算发射数量众多（先期计划12000颗）的星链卫星。对于光学望远镜来说，它们相当于一颗颗小型的明亮天体，不仅会增加光污染，影响暗弱天体的观测，还会使部分天文图像曝光过度，无法使用。
对于射电望远镜来说，几万颗星链卫星会占据很多无线电波频道，直接影响对高频信号进行观测的射电望远镜。
科学家估计，当星链卫星达到6400颗时，某些频率与之冲突的射电望远镜的下行频带的灵敏度将损失70%；若达到10万颗，这些频段可能将完全无法使用。
同时，由于星链卫星会自动改变轨道，不在固定轨道上运行，因而对于空间中的其它航天器也存在一定的威胁。2019年9月，欧空局的“风神”卫星就不得不紧急机动，以避免与星链卫星相撞。
星辰大海，有太多的未知等待我们去观测，去探索。抬头能够看见星空，不仅是我们每个人的权利，更是追寻宇宙的信仰。希望我们望向太空的“眼睛”能永远清澈透亮。
参考文献:
5. https://jamanetwork.com/journals/jama/fullarticle/1900510
6. http://www.sohu.com/a/223994144_377335
7. Stephen D. Anton, Azumi Hida,Kacey Heekin,et al. Effects of Popular Diets without Specific Calorie Targets on Weight Loss Outcomes: Systematic Review of Findings from Clinical Trials. Nutrients. 2017 Aug; 9(8): 822. doi: 10.3390/nu9080822
出品：科普中国
制作：苏子安
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来源：中国科普博览
编辑：aloysius

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