□ 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（四）

□ 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)鏡完成課程觀測項目，積累大型天文望遠(yuǎn)鏡觀測經(jīng)驗。

我們從甚大望遠(yuǎn)鏡陣管理中心所在地出發(fā)前往APO，一路依舊是不毛之地，讓人不禁覺得適合天文觀測的地區(qū)自然環(huán)境都比較惡劣。值得一提的是，盡管行程很緊，我們還被安排順路參觀白沙國家紀(jì)念地——一片類似于沙漠的地帶。不過區(qū)別于一般的沙漠，這里的沙子是全白的。從位于APO上，裝有斯隆數(shù)字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，以下簡稱SDSS）的2.5米望遠(yuǎn)鏡的屋外，眺望白沙國家紀(jì)念地，可以看到遠(yuǎn)處白茫茫的一片。白沙紀(jì)念地附近有一處導(dǎo)彈實驗基地，由于導(dǎo)彈實驗基地測試導(dǎo)彈，我們在去APO的路上還遇到了交通管制。

我們從APO所在的薩克拉門托山下的沃爾瑪買足四天四夜的糧食后開車上山。值得一提的是，我們由山腳下前往APO的公路編號為6563。學(xué)天文的人大多對這個數(shù)字有特殊的情感，這是因為天文光譜中最重要的Hα譜線的實驗室波長為6563?。據(jù)介紹，美國這一級別的公路一般使用三位數(shù)字編號，而這條通往APO公路的四位編號是APO特別向州政府申請獲得的。由于緊鄰APO的美國國家太陽天文臺的緣故，APO所在的地區(qū)被命名為太陽黑子（Sunspot）。在沿著這條6563號公路上山的過程中，我們相繼看到路邊立著一系列告示牌，上面標(biāo)著海王星、天王星等太陽系行星。而這一系列路標(biāo)的終點，是6563號公路的盡頭，美國國家天文臺訪客中心前直徑為5.5米的半球形太陽模型，內(nèi)有太陽相關(guān)知識的介紹。按照模型與真實天體的比例，這一系列路標(biāo)被放置在各行星軌道與6563號公路的交點上，構(gòu)建成一個比例為1：2.5億的簡易太陽系模型。我們沒有看到冥王星的路標(biāo)，并不是因為它被趕出了行星行列，而是因為我們拐上6563號公路的時候已經(jīng)錯過了冥王星路標(biāo)。

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有趣的白色沙子

這種特殊白沙的形成要追溯到2.5萬年前，白沙紀(jì)念地原來是個內(nèi)陸海，后來海水干涸，水中沉積的礦物質(zhì)形成了石膏巖。而后地表運(yùn)動，此地又形成了一個盆地，同時石膏巖運(yùn)動到圍成盆地的山上。盆地形成后此地一時雨量很大，石膏巖被沖到盆地中形成了湖泊。而后湖泊又干涸，石膏巖再次重見天日。再加上風(fēng)蝕，石膏巖被吹得粉碎，最終形成白色的沙粒并隨著沙丘移動。事實上，由于石膏溶于水，所以它很難成為巖石的主要成分，這也是為何世界上只有少數(shù)地區(qū)才能形成這樣的白沙。由于目前白沙紀(jì)念地的年降水量很少，且周圍沒有大型水域，石膏不可能被水沖進(jìn)海里或者湖里，少量的雨水也只是慢慢地滲到地下，于是就留下了白色沙子。

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我們到達(dá)APO時太陽已經(jīng)快要落山。APO海拔約2800米，由于旅途勞累，我有一些輕微的高原反應(yīng)，只是聽了聽管理員老師講解住宿事宜之后便整理照片及準(zhǔn)備休息。比較令人意外的是APO的宿舍里有老鼠，這讓我不得不想起之前曾聽過，國家天文臺興隆觀測基地的住宿水準(zhǔn)已經(jīng)超過了不少國外天文臺，看來情況屬實。APO主要由新墨西哥州立大學(xué)管理，并且擁有天文臺3.5米望遠(yuǎn)鏡20%的觀測時間。這算得上是一個名氣不是很大，但天文專業(yè)很好的學(xué)校。

我們接下來幾天的日程就基本是上午補(bǔ)覺，下午由我們這門天文觀測課程的老師，我系的史蒂夫·馬耶夫斯基(Steve Majewski)教授為我們上課，以彌補(bǔ)因為旅行而耽誤下的課程。而晚上的時間則是重頭戲，我們將用APO的3.5米望遠(yuǎn)鏡完成課程項目。

（一）參觀美國國家太陽天文臺

在APO的第二天下午，我們來到APO隔壁的美國國家太陽天文臺進(jìn)行參觀，觀摩了兩臺望遠(yuǎn)鏡。

我們先參觀的是約翰·埃文斯太陽望遠(yuǎn)鏡（John W. Evans Solar Facility，以下簡稱ESF）。ESF是一架日冕鏡，坐落在一個直譯為“大圓頂”（Big Dome）的建筑里（圖3），建成于1953年。不同于一些太陽望遠(yuǎn)鏡在晚間可用來觀測一些亮星，大圓頂里面的望遠(yuǎn)鏡在晚上以及白天不可見太陽的時候，都是不工作的。

大圓頂?shù)男螤钍莻€錐形，入口在圖3右側(cè)有紅色扶手處，要先下一段小坡方能進(jìn)入圓頂內(nèi)部（圖4）。

圖4中的日冕鏡是赤道式的，在鏡筒的尾部有個方形箱子，里面裝有一塊可以制造人造日食的圓片，原理類似于位于日地第一拉格朗日點的索賀太陽和日球?qū)犹綔y器（簡稱SOHO）。我們平時看到的都是太陽的光球?qū)?，只有在日全食的時候，才有機(jī)會觀測到色球?qū)雍腿彰釋?。得益于這里相對稀薄的空氣，特制的圓片可以擋去明亮的光球?qū)樱鸬饺嗽烊帐车男Ч?。通過觀測太陽的日冕層，我們可以知道在光球?qū)踊钴S的區(qū)域發(fā)生了什么樣的物理現(xiàn)象（比如太陽黑子），還可以了解太陽產(chǎn)生的能量是如何從其表面?zhèn)鞯娇臻g中去的。

參觀美國國家太陽天文臺的第二站是理查德·鄧恩太陽望遠(yuǎn)鏡（Richard Dunn Solar Telescope，以下簡稱DST）。DST位于一座高41.5米的真空塔里（圖5），非常氣派。

如同冰山一樣，真空塔露出地面的只是一小部分，真空塔在地下的部分有67米長。從塔頂?shù)剿?，是DST的整個光學(xué)系統(tǒng)（圖6）。首先，這顆離我們最近的恒星亮度太高，和我美國西南游第一篇文章介紹的位于基特峰觀測基地的麥克馬斯-皮爾斯太陽望遠(yuǎn)鏡（McMath-Pierce）一樣，我們必須把太陽望遠(yuǎn)鏡的焦距拉得很長，才可避免終端設(shè)備被超強(qiáng)太陽光燒毀。這就是為何DST的光路要制成100多米長。其次，為避免地表的湍流影響像質(zhì)，進(jìn)光口被放在了41米高的塔頂。太陽光進(jìn)入的窗口是一個76厘米的圓窗，最后在地面的觀測室里形成一個51厘米的太陽投影像?？上覀冊趨⒂^的時候，此望遠(yuǎn)鏡因為資金問題停掉了，我們遺憾地沒能看成當(dāng)日的太陽投影。為追求高像質(zhì)，DST的整個光路系統(tǒng)是抽真空的，頂部有個器械吊著整個系統(tǒng)，下面則是用水銀填補(bǔ)，使整個系統(tǒng)浮在水銀上，以浮力作為支持力。此項工程十分浩大，要知道DST的長度比足球場長，重量約250多噸。

此外，由于太陽望遠(yuǎn)鏡受到太陽的加熱，白天的大氣湍流往往比夜里更強(qiáng)，這使得穿過大氣的太陽像抖動得很厲害（類似于夏天高溫路面上呈現(xiàn)出的蒸汽現(xiàn)象），視寧度很差。建造更大的望遠(yuǎn)鏡，僅僅能收集更多的光線，但不能提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率、得到更多細(xì)節(jié)。因此，太陽自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。相比于夜間望遠(yuǎn)鏡觀測對比度很強(qiáng)的星像，太陽自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)面臨的情況更加困難。DST的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)使用波前探測器探測太陽像各個區(qū)域的波前形狀，根據(jù)復(fù)雜算法，實時反饋到主鏡面上，用主鏡面的形變來抵消大氣抖動對太陽像的影響。在DST誕生的第一代太陽自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可以在良好的天氣狀況下，使太陽像接近望遠(yuǎn)鏡的衍射極限。同時，此自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)也對之后的太陽物理研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

（未完待續(xù)）

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