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解鎖“興隆站” | 賽先生天文

2022/11/02
導(dǎo)讀

  • 導(dǎo) 讀

作為亞洲大陸最大規(guī)模的光學(xué)天文觀測臺站，興隆觀測基地從1958年籌備至1968年建成，歷經(jīng)十載。而在隨后“服役”的五十余年間，TA數(shù)次更新擴建，碩果累累。本期賽先生天文，一份來自興隆的說明書將為您回溯興隆觀測基地的歷程，并深度解讀她的過去、現(xiàn)在，以及美好的未來。

撰文 | 范舟、葛亮、張君波、梁麗賢等（國家天文臺興隆觀測基地）
責(zé)編 | 韓越揚、呂浩然

中國科學(xué)院國家天文臺興隆觀測基地（簡稱“興隆站”）位于河北省興隆縣境內(nèi)的燕山主峰南麓，平均海拔約900米，地理坐標為東經(jīng)117°34'38"，北緯40°23'45"。現(xiàn)隸屬于中國科學(xué)院國家天文臺和中國科學(xué)院光學(xué)天文重點實驗室。從1968年建站至今，經(jīng)過50多年的發(fā)展，興隆站已經(jīng)成為亞洲大陸規(guī)模最大的光學(xué)天文觀測基地。每年平均有240-260個可觀測夜（光譜），其中包含100-120個全晴觀測夜。臺站距離北京約150公里，交通便利，生活設(shè)施完善。

圖1：興隆站全景圖，圖片來源：陳穎為 攝

五十多年來，興隆站建站從一個只有三臺專業(yè)天文望遠鏡的野外臺站，發(fā)展成為擁有10余臺天文專業(yè)望遠鏡的亞洲大陸規(guī)模最大的光學(xué)天文觀測站，它承載著新中國實測天文工作者的夢想與追求，凝結(jié)著全體建設(shè)者的心血與智慧。

圖2：興隆站手繪地形圖，圖片來源：徐帆 繪制


  • 八年選址，標定興隆

1958年2月，國務(wù)院批準成立“中國科學(xué)院北京天文臺籌備處” ，程茂蘭任主任，擬在北京附近建立一個中等規(guī)模的現(xiàn)代化天文臺。實際上這項光榮而艱巨的任務(wù)，從1957年7月份，在程茂蘭、肖光甲、洪斯溢等前輩的帶領(lǐng)下，就已經(jīng)開始了。


興隆站的選址共經(jīng)歷了三個重要階段：從1957年7月到1960年8月，主要候選地集中在北京西部地區(qū)，包括仙人洞、南坨和妙峰山；從1960年11月到1961年4月，主要在太行山脈東側(cè)，包括保定、石家莊、邢臺、邯鄲等；從1963年4月開始第三階段，重點放在了承德，包括灤平和興隆連營寨等。


最終，經(jīng)過8年時間，籌備處完成了選址工作，將這座當(dāng)時籌備建造的現(xiàn)代化天文臺落地在了河北省興隆縣的霧靈山南麓。

圖3：北京天文臺（國家天文臺總部前身）首任臺長程茂蘭先生選址期間在連營寨進行踏勘


圖4：建站初期的興隆觀測基地


  • 如今的興隆站

1. 興隆觀測站的主要觀測設(shè)備


落成于1989年的2.16米望遠鏡是我國自主研制的第一臺大型光學(xué)天文精密儀器，曾榮獲國家科技進步一等獎。在建成后的近20年間，它一直是我國乃至遠東地區(qū)最大口徑的光學(xué)天文望遠鏡，也是我國開放程度最高的通用型望遠鏡。2.16米望遠鏡一直保持著高水平科研成果的產(chǎn)出，包括國家自然科學(xué)二等獎一項，世界頂級科學(xué)期刊《自然》論文多篇，其中1994年發(fā)表的基于216觀測的sn1993j的工作[3]，是中國天文界最早的《自然》論文。

圖5：興隆站2.16米望遠鏡，圖片來源：陳穎為 攝


郭守敬望遠鏡（LAMOST）是中國第一個天文領(lǐng)域的國家重大科學(xué)工程項目，于2008年正式落成并投入觀測，望遠鏡結(jié)構(gòu)十分獨特。2021年以前一直是國際上光譜獲取率最高的望遠鏡（目前位居第二），一次觀測可以同時獲得4000顆天體的光譜，目前已經(jīng)發(fā)布了世界上最大的光譜數(shù)據(jù)庫。與第二個天文領(lǐng)域國家重大科學(xué)工程項目FAST（又稱天眼，位于貴州平塘）形成了“南有平塘FAST（天眼），北有興隆LAMOST（郭守敬望遠鏡）”的中國天文布局。

圖6：郭守敬望遠鏡（LAMOST），圖片來源：陳穎為 攝

此外，興隆觀測站還擁有1.26米紅外望遠鏡、60/90厘米施密特望遠鏡、85厘米望遠鏡、80厘米望遠鏡、60厘米望遠鏡等10余臺專業(yè)天文望遠鏡，并擁有公共天文臺及多臺科普望遠鏡。

2.  天文觀測項目

基于興隆站的觀測設(shè)備，來自世界各地的天文學(xué)家開展了太陽系天體、太陽系外行星、雙星、星云、白矮星、黑洞、超新星、伽瑪暴、河外星系、活動星系核等多方面的前沿科學(xué)研究。其中包括：

  ※ 傳統(tǒng)天文觀測申請項目

興隆站的2.16米望遠鏡等多臺主要天文設(shè)備均通過開放觀測時間申請和支持開放課題的形式向天文界開放。研究方向因觀測申請者的研究興趣而定，涵蓋了從太陽系內(nèi)天體到恒星、銀河系、河外星系、星系團，以及距離極其遙遠的天體（如類星體）等宇宙的各個尺度的天體物理學(xué)和天體力學(xué)/天體測量學(xué)課題。

另外，在專家評審的基礎(chǔ)上，興隆站還確定了一些重點課題，包括：活動星系核、星系的恒星形成、天體的元素豐度和演化、超新星觀測研究、星震觀測研究、系外行星的觀測和研究等。此外，興隆站還充分發(fā)揮地理優(yōu)勢，積極參與國際天文界的聯(lián)合天文觀測研究，是北半球主要地面光學(xué)望遠鏡聯(lián)合觀測組織的重要成員。每年有90余人次的天文學(xué)家來到興隆觀測基地或通過網(wǎng)絡(luò)遠程從事觀測研究，天文學(xué)家使用站內(nèi)設(shè)備平均每年發(fā)表論文40-50篇。

興隆站的望遠鏡除了每年夏季（夜晚時間最短、天氣潮濕多雨）近兩個月的檢修外，每個天氣條件允許的夜晚都在進行天文觀測，甚至包括春節(jié)。

  ※ 機會源（Target of Object, ToO）觀測項目

以引力波光學(xué)對應(yīng)體、超新星、伽瑪暴、黑洞潮汐瓦解事件等變源和暫現(xiàn)源為研究對象的時域天文學(xué)，是天文學(xué)的一個新的未來方向。變源和暫現(xiàn)源等ToO的觀測研究的兩個關(guān)鍵點在于快速的廣域搜索發(fā)現(xiàn)和精細后隨觀測。精細后隨觀測離不開大口徑望遠鏡，并要求盡可能快的觀測響應(yīng)和數(shù)據(jù)處理分析。興隆站2.16米望遠鏡，目前開放ToO申請觀測，包括零級、一級和二級ToO申請，能夠?qū)崿F(xiàn)對ToO的快速響應(yīng)，包括多色測光和光譜觀測。

  ※ 系外行星監(jiān)測項目

1995年，米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和迪迪?！た迤潱―idier Queloz）發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞類太陽恒星運行的太陽系外行星[4]，并于2019年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，這將系外行星相關(guān)領(lǐng)域再度推向了大眾的視野。

太陽系外行星，尤其是類地行星的證認和性質(zhì)研究近年來已成為天文科學(xué)前沿?zé)狳c之一，2009年發(fā)射的Kepler望遠鏡，就將人類發(fā)現(xiàn)系外行星的數(shù)量提高了一個數(shù)量級。2018年，TESS望遠鏡作為Kepler的繼任者升空，由于其目標行星較Kepler更近也更亮，因此給地基后隨觀測帶來了新的契機。

興隆站也積極把握這次機會，參與TESS國際后隨觀測團隊；對2.16米望遠鏡的HRS+天文光梳進行多次升級改造，使其具備高精度視向速度測量本領(lǐng)，同時參與新的天文光梳研發(fā)項目，向探測類地系外行星這樣的亞米級精度目標努力；積極參與GTC高色散光譜儀項目、地球2.0項目等。

3. 技術(shù)研發(fā)項目和測試平臺

興隆站地擁有數(shù)量眾多、口徑不等、年齡各異的天文望遠鏡，這些望遠鏡分布在基地的不同位置，初期以分散的形式進行觀測。這種分散模式的觀測難以統(tǒng)一管理和調(diào)度，也帶來了運行人力成本高等問題。

為提高興隆站望遠鏡的觀測質(zhì)量和效率、降低儀器設(shè)備故障率，以及控制運行成本，以望遠鏡集中控制應(yīng)用需求為牽引，開展針對天文觀測要求、望遠鏡系統(tǒng)硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)和常見故障的調(diào)研，實施必要的硬軟件升級改造，建設(shè)集中控制的望遠鏡觀測系統(tǒng)。目前已經(jīng)將1.26米、85厘米、80厘米、60厘米的控制系統(tǒng)集中遷移至中心樓觀測大廳（后遷移至104房間）。2.16米望遠鏡配備了BFOSC、OMR、HRS等多個終端，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，目前仍然在圓頂樓內(nèi)單獨觀測。

圖7：集中控制大廳觀測現(xiàn)場圖

為了提高2.16米望遠鏡的自動化程度，尤其是對ToO觀測響應(yīng)的速度，技術(shù)人員對軟硬件系統(tǒng)進行了多次升級。在硬件上，全面接管了BFOSC終端的底層控制接口，軟件上增加目標自動證認、狹縫自動移入、FITS頭自動寫入等功能。與多波段時域天文研究團組合作，建立了由GWAC實時發(fā)現(xiàn)M型矮星耀發(fā)，觸發(fā)2.16米望遠鏡快速后隨光譜觀測的聯(lián)合觀測系統(tǒng)。2021年至2022年觀測季，共開展了9次光譜快速后隨觀測，光譜后隨觀測平均延遲15分鐘，最短延遲7分鐘，光譜后隨觀測時長通常不超過2小時。

4. 科研觀測之外

除卻天文觀測，興隆站一直也在推動高校天文科研和教學(xué)發(fā)展，通過聯(lián)合改造天文望遠鏡設(shè)備、聯(lián)合培養(yǎng)研究生和接待高校學(xué)生實習(xí)等方式積極推進與高校的合作。同時，積極推進“科教結(jié)合”和全民科學(xué)普及工作，并開展了豐富多彩的公眾開放活動。不僅如此，興隆站還與清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、廣州大學(xué)等聯(lián)合共建了多臺望遠鏡。

興隆觀測基地作為中國科學(xué)院大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、南開大學(xué)、山東大學(xué)、河北師范大學(xué)等幾十所高校的學(xué)生實習(xí)基地，每年接待高校學(xué)生實習(xí)1000余人次，并聯(lián)合培養(yǎng)研究生。

為了更好地服務(wù)站內(nèi)望遠鏡用戶，興隆站自2013年開始舉辦“興隆觀測基地實測天體物理培訓(xùn)班”，并于2016年入選中科院人事局精品課程。之后在中科院人事局及中科院國家天文臺光學(xué)重點實驗室的大力支持下，培訓(xùn)班至今已成功舉辦13期，共計有來自國內(nèi)外科研機構(gòu)和高等院校的550余名學(xué)員參加了培訓(xùn)。2018年，興隆站的老師們還受邀到泰國參加泰國國家天文研究所組織的國際數(shù)據(jù)處理培訓(xùn)班擔(dān)任指導(dǎo)老師，走出國門，擴大了基地在天文觀測和數(shù)據(jù)處理方面的影響力。

圖8：興隆觀測基地實測天體物理培訓(xùn)班，來自泰國SUT的Nuanwan Sanguansak教授、加拿大-法國-夏威夷望遠鏡（CFHT）的科學(xué)主管Daniel Devost教授等也參與其中


圖9：興隆觀測基地的老師在泰國國家天文研究所（NARIT）舉辦的培訓(xùn)班中教授學(xué)員數(shù)據(jù)處理及天文觀測

興隆站不僅注重望遠鏡用戶及潛在用戶的培訓(xùn)，也在不斷提高站內(nèi)員工的整體天文素養(yǎng)，2022年啟動了“面向前沿光學(xué)天文知識系列講座”培訓(xùn)活動，培訓(xùn)內(nèi)容既包含結(jié)合前沿的基礎(chǔ)天文內(nèi)容，也包括目前最領(lǐng)先的望遠鏡技術(shù)，主要面向站內(nèi)員工以及對培訓(xùn)內(nèi)容感興趣的興隆站望遠鏡用戶。

圖10：2022年舉辦的“面向前沿光學(xué)天文知識系列講座”中的部分海報


圖11：國科大學(xué)生利用公共天文臺日珥鏡觀測太陽光球?qū)雍谧蛹吧驅(qū)尤甄?，圖片來源：張淼 攝

圖12：北師大物理系學(xué)生在《光學(xué)望遠鏡技術(shù)基礎(chǔ)》課程上安裝望遠鏡轉(zhuǎn)臺，圖片來源：葛亮 攝

此外，近年來興隆站還開發(fā)了遠程觀測教學(xué)實踐平臺，對于高校的學(xué)生，可以采取遠程觀測的方式進行觀測和學(xué)習(xí)。

圖13：遠程觀測控制界面

圖14：學(xué)生們在指導(dǎo)教師的幫助下使用遠程臺拍攝的木星和木星衛(wèi)星

圖15：學(xué)生們使用遠程臺觀測得到的木星和土星圖片

  • 未來規(guī)劃

目前，國家天文臺興隆觀測基地天文科學(xué)工程項目正在加快實施中，項目用地55畝，正在辦理項目立項、工程規(guī)劃許可、施工許可等手續(xù)，預(yù)計明年開工建設(shè)。而以興隆站為基礎(chǔ)的興隆觀測基地正逐漸成為集天文觀測研究基地、天文技術(shù)研發(fā)基地和天文科普教育基地為一體的高水平科技研發(fā)和人才培養(yǎng)平臺。

  ※ 時域天文研究基地

近年來，興隆站各方面的建設(shè)都在不斷提升，并將時域天文技術(shù)作為未來主要的發(fā)展方向，重點研究大視場巡天、光譜望遠鏡快速后隨觀測等技術(shù)。司天工程由國家天文臺劉繼峰研究員等人提出，利用上百臺1米級望遠鏡實現(xiàn)大天區(qū)面積（一次性覆蓋1萬平方度）、高采樣頻率（30分鐘），實現(xiàn)全天區(qū)“凝視”監(jiān)測的時域天文觀測新模式，揭示宇宙中各類天體的變化并發(fā)現(xiàn)和探索各類新天體、新現(xiàn)象。

籌建中的司天工程也在興隆站部署了迷你司天望遠鏡陣作為預(yù)研，其原型機也將落戶興隆站。而興隆站作為司天工程的核心工作組，將負責(zé)司天原型望遠鏡建設(shè)、測試和運行工作。目前已經(jīng)建設(shè)完成了3臺30厘米大視場望遠鏡組成的迷你司天陣。

圖16：迷你司天望遠鏡陣，圖片來源：吳宏 攝


此外，興隆站還將在2.16米望遠鏡ToO快速后隨響應(yīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成興隆時域天文觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，牽頭組織南山、慕士塔格等臺站組成ToO地基觀測網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于未來CSST、EP、SVOM等時域天文衛(wèi)星的后隨觀測。

  ※ 百鏡項目和科普活動

近期，興隆站還在籌劃了“百鏡項目”，將在興隆站的東區(qū)建設(shè)100臺30厘米口徑的望遠鏡，用于科研和科普教學(xué)。在科研上，其亮端的觀測將用于時域觀測，與司天項目形成完美的匹配，在觀測天體的亮度范圍進行銜接。項目預(yù)期在明年動工，1-2年內(nèi)建成。此外，興隆站還將聯(lián)合國內(nèi)高校和其他科研機構(gòu)建成“北斗七星陣”望遠鏡陣，用于科研和教學(xué)。

圖17：百鏡項目的望遠鏡陣列模擬圖

圖18：北斗七星望遠鏡陣列模擬圖

  ※ 天文科學(xué)教育

目前，我國已有二十余所高校建設(shè)有天文系或天文專業(yè)，諸多中小學(xué)開設(shè)有天文實踐課程。為推動天文科學(xué)教育事業(yè)，促進交流，在教育部高等學(xué)校天文學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會、中國青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會、中國天文學(xué)會教育工作委員會、中國天文學(xué)會普及工作委員會的聯(lián)合推動下，今年8月份在貴州天眼FAST召開了“第一屆天文科學(xué)教育研討會”。興隆站未來將在天文教學(xué)基地、天文科創(chuàng)課題等方面開展相關(guān)的天文教學(xué)標準化工作，從而推動天文教學(xué)更好的走進全國的中小學(xué)校。

此外，正在建設(shè)中的中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院實踐中心將大幅提升興隆站的實習(xí)實踐接待能力，與此同時，興隆站也與多方合作，為國內(nèi)多臺大型光學(xué)望遠鏡提供人才與技術(shù)積累。未來，興隆站將作為一個重要的觀測平臺、新技術(shù)研發(fā)和測試平臺，天文教學(xué)和實踐平臺繼續(xù)為國內(nèi)外的天文學(xué)家和熱愛天文的公眾、學(xué)生服務(wù)。

  • 參考文獻

[1] 《中國科學(xué)院國家天文臺興隆站史料》，中國科學(xué)院國家天文臺興隆站編，中國科學(xué)技術(shù)出版社，編委會：尹濟生，藍松竹等
[2] 《中國科學(xué)院北京天文臺臺史（1958-2001）》，中國科學(xué)院國家天文臺主編，中國科學(xué)技術(shù)出版社，編寫組：洪斯溢，沈海璋，柯大榮等
[3] Wang, Lifan & Hu, Jingyao, Blue-shifted oxygen lines and the clumpy ejecta of supernova 1993J, 1994, Nature, 369, 380
[4] Mayor, Michel & Queloz, Didier, A Jupiter-mass companion to a solar-type star, 1995, Nature, 378, 355


制版｜Livan

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