作者：吴鑫基 温学诗
光学天文的发展不仅要研制大型、特大型的望远镜，还需要优秀的观测站址，缺一不可。2017年国家天文台组织的西部天文选址，历时3年，取得重大成就，在*藏西**阿里、*疆新**慕士塔格、四川稻城和青海冷湖找到了国际一流的光学天文观测站址。有望成为我国光学天文观测的重要基地，为中国天文事业的发展做出重要贡献。
我国光学天文学发展的历史使命
我国古代的天文学成就辉煌，然而最近300多年来的发展严重滞后。伽利略发明天文望远镜，观测能力一下子提高了100倍。清朝康熙和乾隆皇帝虽然关注天文，但拒绝引进先进的天文望远镜。他们亲自策划为北京观象台研制八大天文仪器，前后花了80多年，研制出来的都是直接用肉眼观测的仪器，面对欧美光学望远镜的迅速发展，我国天文观测的能力与之相比差距越来越大。
民国时期，从西方国家学习天文归国的学者承担起发展天文学的重任。天文望远镜从无到有，但是紫金山天文台60厘米口径的光学望远镜远远不及18世纪赫歇尔的1.2米望远镜。中华人民共和国成立后，通过建立新的天文台、发展天文教育、自主研制光学望远镜，我国天文事业有了比较大的起色。1988年建成2.16米光学望远镜，使观测能力进入到20世纪世界中等水平。2008年建成口径4米的郭守敬望远镜则达到一个新的高度，不仅口径大了很多，而且在望远镜技术方面突破了不能兼备大口径和大视场的世界技术难题，研制成世界上口径最大、光纤数最多的大视场光谱巡天望远镜。利用郭守敬望远镜已经获得上千万个天体的光谱，新的天文发现不断涌现，我国光学天文学取得了长足的进步。
国家天文台兴隆观测站 拥有郭守敬望远镜等9台光学望远镜，是亚洲最大的光学天文观测基地。
在光学天文、射电天文和空间天文三大分支学科中，射电天文和空间天文学都是20世纪发展起来的新兴学科。500米射电望远镜的建成使我国在单天线射电望远镜方面走到了世界的最前列。当然，我国在毫米波和亚毫米波望远镜、多天线组成的射电阵列、空间射电干涉仪观测等方面依然有较大的差距。我国的空间天文观测到21世纪才正式登场，目前有探测暗物质的“悟空”卫星和探测X射线的“慧眼”卫星。我国探月工程和火星探索计划的深入开展以及空间站上的天文项目，将使我国空间天文观测步入快速发展阶段。就赶超而言，光学天文最为艰巨。
目前全世界有14架8~10米口径的光学/红外望远镜。其中，美国10米凯克望远镜1991年建成，日本8.3米口径的昴星团望远镜1999年就投入了观测。最突出的是欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT），4台口径8.2 米的光学望远镜，既可以单独使用，也可以组成光学干涉仪（相当于具备口径16米望远镜的聚光能力和口径130米望远镜的空间分辨率）。2017年我国开始筹建12米光学红外望远镜，这被视为我国光学天文观测能力进入世界第一梯队的关键任务。
实际上，我国还面临两个更大的挑战：一是当今世界兴起的建造特大光学望远镜的浪潮，口径24.5~39.3米的特大型望远镜[如三十米望远镜（TMT）、大麦哲伦望远镜（GMT）、欧洲极大望远镜（E-ELT）]将会陆续建成；二是已经在太空翱翔31年的哈勃空间望远镜的继任者——口径6.5米的詹姆斯·韦伯太空望远镜已经上天。我们在空间的光学/红外望远镜方面落后很多。好在我国的空间探测能力已经比较发达，追赶速度会比较快。计划在中国空间站建设一个并轨飞行的口径2米的巡天空间望远镜项目是一个起点比较高的开始，但是差距依然较大。
目前，我国不仅缺乏大型光学望远镜，中型光学望远镜也很少，更重要的是缺乏优良的观测台址。我国光学望远镜总的聚光面积只占全世界的2%。我们着力于大型、超大型光学望远镜的赶超的同时，需要研制配套的中型甚至小型光学望远镜，这样才能发挥出更大的效率，取得系列性的成果，大中小型光学望远镜都离不开优良的观测站址。
我国西部天文选址获得重大进展
我国天文选址工作比较滞后。民国时期的几个光学天文观测基地（南京紫金山、上海佘山和昆明凤凰山）一直沿用。由于位于市区或近郊区，观测环境比较差。解放后先后建立的北京天文台兴隆观测站、紫金山天文台的盱眙观测站和云南天文台的丽江高美谷观测站条件好很多，但仍达不到世界优良天文站址的水平。
国内的兴隆光学观测站和美国的基特峰光学天文台曾经分别是我国和美国观测条件最好的天文台。兴隆天文观测站拥有世界上光谱观测效率最高的4米口径光谱巡天望远镜等9台光学望远镜，基特峰天文台拥有20多台光学望远镜，然而现在两者都面临诸多问题。兴隆站海拔不高，离县城很近，仅5公里，离北京也不远，约200公里，县城和北京的城市灯光缓慢但持续地蚕食着光学望远镜的观测能力。国家天文台的天文学家们心急如焚，曾做出很多努力，以减少或延缓灯光污染。基特峰天文台的海拔也不够高，在其北面没有高山保护，邻靠戈壁滩和距离90公里的图森市。来自图森市的灯光污染越来越严重，天文学家们叫苦不迭。
世界上公认的3个最佳天文台台址都在高山之巅（夏威夷莫纳凯亚山山顶，海拔4206米；智利安第斯山山顶，海拔2500米；大西洋加那利群岛山顶，2426米）。天文学家认为，青藏高原是世界的屋脊，高山林立，应该能够找到理想的站址。《科学》杂志在2007年第4期发表了国家天文台在2003年开始的西部天文选址的情况。选址团队历经千辛万苦，足迹遍及*藏西**、*疆新**和青海许多地方，行程十余万公里。在*疆新**卡拉苏和*藏西**阿里建立了两个野外观测站，进行了监测。他们是我国西部天文选址的先行者。
2014年5月，在一次讨论建设南方大天文台会议上，天文学界多位院士指出我国天文观测站选址的重要性、迫切性以及存在的问题，意见尖锐而中肯。2017年，国家天文台选择*藏西**阿里、四川稻城和*疆新**慕士塔格3个候选站址，统一技术标准，配置先进的监测仪器，进行了持续2年的监测。2020年我国天文学术期刊《天文和天体物理学研究》（RAA）发表了这3个候选站址监测结果的论文，公布了3个候选站的监测结果。
2018年青海冷湖赛什腾址点启动监测。国家天文台邓李才研究员团组有一台口径1米望远镜放置在德令哈。然而2009—2017年间德令哈市的灯光污染不断加重，导致当时观测难以为继。于是他们到冷湖寻址，2018年开始了寻址监测。比国家天文台主持的选址监测部署晚了1年。监测3年后的数据表明，冷湖站址的所有指标都与世界顶级的夏威夷天文台的数据几乎一样。可以说找到了世界一流的光学/红外观测站址，监测结果已在英国《自然》（ Nature ）周刊发表。
这4个站址主要监测4个参数，其中视宁度最重要，代表观测站区域大气的稳定程度，大气不稳定时会导致星像模糊，成为光学望远镜分辨率的上限。把大型望远镜放置在视宁度差的站址，其分辨率还不如一台放置在视宁度高的站址上的小型光学望远镜。因此视宁度成为大型光学望远镜的生命线。夜天光是指夜间天空的亮度，城市灯光会把天空照亮，导致望远镜无法观测暗弱天体，直接限制大型光学望远镜灵敏度（极限星等）。可观测夜当然是越多越好，对大型光学望远镜使用效率有影响，但不致命。由于大气中的水汽能够吸收红外辐射，因此对于红外观测，要求大气的可沉降水汽含量（PWV）和相对湿度越低越好。
总体来说，我国西部4个光学天文候选站址都优于已有的站址。在视宁度方面，冷湖和夏威夷台址最好，并列第一；慕士塔格第二；排第四的阿里站址也不错，达到优良的标准。我国4个站址在夜天光方面的数据很好，与夏威夷台址持平。平均相对湿度，阿里站最好，夏威夷第二，慕士塔格站第三，差别不大。对红外观测影响最大的是PWV值，从1991—2018年的月平均统计结果来看，阿里最好，慕士塔格次之，慕士塔格67%的晴日PWV年统计结果小于2毫米。
就最重要的视宁度来说，慕士塔格与冷湖的差距并不大。在25%的情况下，慕士塔格站址只比冷湖站差0.03角秒；在75%的情况下，差0.07角秒；分别只差了5%和7%，因此，慕士塔格站址应该属于世界一流的天文光学观测站址。
*疆新**天文台光学天文的发展
*疆新**天文台以射电观测研究著称，但是近十年也大力发展光学天文观测研究。*疆新**天文台运行有南山、奇台、慕士塔格、喀什4个基地型野外观测站。
25米射电望远镜自1994年投入观测后，除了进行欧洲甚长基线干涉仪网和中国网的探月任务外，单天线观测成绩也非常显著，很快就成为我国脉冲星观测研究的首个基地。在分子谱线、活动星系核以及射电源偏振巡天等方面的成果也很丰硕。正在建设中的奇台110米口径射电望远镜成为*疆新**天文台走上世界前沿的重要举措，新近发现的慕士塔格观测站址得到了天文界的高度关注。
南山观测站如今已经大变样，园区较之前扩大了约3倍，光学观测设备已占据园区大部分地方。光学天文观测有3个重点：天体物理观测、空间碎片观测、量子通信实验。1米、1.2米等多台光学望远镜配备有光度和光谱观测终端。另外，通过小望远镜群的建设，进一步加强了与国内高校的合作。2013年建成的1米大视场望远镜主要进行光学时域天文观测和巡天研究，在脉动变星、食双星、天体剧烈活动和系外行星方面取得不错的研究成果，这与南山站良好的观测条件分不开。当然，1米大视场望远镜的贡献还很有限，只能起到添砖加瓦的作用，还需要更好的光学天文站址助力我国天文学的发展。
*疆新**天文台南山站园区内的光学望远镜和射电望远镜交相辉映
2016年国家天文台正式启动12米大型光学红外望远镜项目（LOT）的选址工作，以阿里狮泉河址点和稻城无名山址点作为候选点，并于当年9月确定*疆新**帕米尔地区为第三个候选区域。*疆新**天文台成立选址工作队。候选站址的阿里狮泉河址点是国家天文台西部选址队2010 年底开始定点监测的。稻城无名山址点则是云南天文台为“中国巨型太阳望远镜”寻址时发现的，2014年启动台址监测。阿里站址和稻城站址虽然监测多年，但监测工作不够连续，获得数据比较少，不能作出判断。国家天文台曾于2005年在*疆新**的喀拉苏建立候选站址进行监测，对监测结果不满意而没有入选。
*疆新**天文台选址队2016年9月接到选址任务后，首先在地图上挑选了一批候选点，然后开始实地考察。在荒无人烟的高原上，攀爬到候选的山峰勘测。经过2个多月的奋战终于在帕米尔高原找到了理想的站址——慕士塔格。大型光学望远镜（LOT）台址总体组要求3个选址点必须在2017年1月1日统一开始数据采集。慕士塔格址点一切从零开始，基础建设只能在2016年的冬季进行。冬季高原施工异常困难，在无任何依托的4500多米的高山上，选址队员克服高原反应、低温等恶劣的自然条件，在无水、无电力和无通信条件下，完成基础建设、设备安装调试，按照规定的时间和标准对多个参数进行监测。两年多的监测数据表明，这里的光学/红外天文观测条件优越，成为*疆新**天文台慕士塔格观测站。
慕士塔格观测站升起*旗国**
*疆新**天文台发展迅速，已经成为一个射电天文和光学天文并重的天文台。有了慕士塔格观测站后，光学天文的研究将会更上一层楼。
*疆新**天文台慕士塔格观测站
2019年7月，在*疆新**阿图什市召开研讨会，北京师范大学、南京天光所、*疆新**天文台签署合作研制1.93米光学望远镜并落户在慕士塔格观测站的协议。会后部分代表前往慕士塔格观测站参访，先是乘大巴沿314国道的中巴友谊路段行驶。这是世界上最高最美的公路之一，沿途景色迷人，高山林立，还能看到丹霞地貌、雪山冰川、湖泊溪河、荒漠戈壁。行200公里来到雄伟壮丽的慕士塔格峰下的喀拉库勒湖。观测站就在慕士塔格峰西边的一个无名高地上。到山脚下后，沿12公里盘山公路爬高900米就到了目的地。从阿图什到观测站整个行程约3个小时，交通非常便利，就像从北京到国家天文台兴隆观测站一样的方便。值得一提的是，正在建设中的塔什库尔干机场，计划将于2022年5月投入使用，届时从该机场到慕士塔格观测站的公路距离为130千米左右，乘车一个半小时即可到达。该机场只限白天运行，不会对慕士塔格观测站夜天文光环境产生影响。交通方便是选址的重要标准之一，对新台站的建设和之后的使用管理都至关紧要。
登顶以后，发现周围被群山环抱，虽然周围的山比台址高，但并没有挡住观天的视野。站址区域很平坦，共约4平方千米。能找到这么大的平坦土地实在难得，可以放置很多光学望远镜。这里的地理经度处于国际时域天文观测网络的一个经度空白区域。在这里建设大型光学观测基地，对世界天文学研究无疑是一大贡献。
*疆新**天文台慕士塔格观测站鸟瞰（2017年无人机拍摄） 近处为南监测点，包括30米梯度塔、11米DIMM观测塔、6米DIMM观测塔、太阳能电站等台址监测设备。依稀可见北监测点的50厘米望远镜。台址整体呈南北走向，南北监测点距离约为2公里。
慕士塔格站址的第一个优势是海拔高达4520米，明显优于兴隆观测站（海拔900米）和基特峰天文台（海拔2100米）。高山上空气稀薄、清新、透明，没有污染物。慕士塔格站址的视宁度中值为0.82角秒，比兴隆观测站和基特峰天文台都要好，比顶尖的夏威夷天文台的0.75角秒视宁度稍差一点。
慕士塔格观测站海拔高，人烟稀少，附近没有灯光污染。更重要的是观测站周围百公里范围高山林立，观测站被东帕米尔三雄——正东的慕士塔格、东北方向的公格尔和公格尔九别3座超过7500米的山峰所环绕，正西和正南均可见高山雪线。重重高山把观测站包围并保护起来，有效阻隔了附近城市的灯光干扰和塔里木盆地的沙尘污染。喀什虽然是*疆新**第3大城市，但离观测站有200公里，而且被群山阻挡，没有什么影响。
*疆新**天文台慕士塔格观测站望远镜基地的规划
优良台址是稀缺资源，与兴隆站和基特峰天文台相比，慕士塔格站更有长期发展的潜力，但也需要精心设计台址和观测环境的长期保护方案。
根据慕士塔格观测站的规划设计，园区分为两部分：位于台址的望远镜基地计划用地650亩；在距离台址大约30公里、海拔3600米处，建设运维基地，计划用地100亩。
50厘米衍射极限望远镜址点夜景
连续3年的站址环境监测结果表明慕士塔格站址具有非常优良的光学天文观测条件。一台50厘米衍射极限成像望远镜已投入天文观测，观测结果说明确实是一个好站址。北京师范大学1.93米光学红外望远镜落户此地，月闪望远镜和“蜻蜓项目”等决定加盟。慕士塔格观测站已经得到天文界的青睐，发展前景非常乐观，有望成为我国光学天文观测的重要基地，为中国天文事业做出重要贡献。
我国不仅缺少大型、特大型光学/红外望远镜，而且中型的也很缺乏，有了好站址，光学/红外望远镜不愁没有安家落户的地方，势必会有很大的发展。西部选址还将继续，更好的光学天文观测站址将会继续给我们带来惊喜。
[本文撰写的过程中得到*疆新**天文台王娜台长、艾力·伊沙木丁研究员、许竞高工，北京大学吴学兵教授等很多人的帮助，在此一并致谢。]
吴鑫基：教授，北京大学天文系，北京 100871，wuxj@xao.ac.cn
Wu Xinji: Professor, Astronomy Department, Peking University, Beijing, 100871.
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关键词：光学天文 西部天文选址 慕士塔格 ■