美国西南部重要观测基地概览（四）

□ 弗吉尼亚大学天文系 孙 萌 黄辰亮

美国西南部重要观测基地概览（四）

□ 弗吉尼亚大学天文系 孙 萌 黄辰亮

为期9天的美国西南部重要观测基地之旅中的前4天，我们几乎一天换一个地方，参观了我系有观测时间的几处天文台。而后面的5天，我们则在阿帕奇波因特天文台（Apache Point Observatory，以下简称APO）驻扎下来。在参观APO之余，我们用APO的一台3.5米望远镜完成课程观测项目，积累大型天文望远镜观测经验。

我们从甚大望远镜阵管理中心所在地出发前往APO，一路依旧是不毛之地，让人不禁觉得适合天文观测的地区自然环境都比较恶劣。值得一提的是，尽管行程很紧，我们还被安排顺路参观白沙国家纪念地——一片类似于沙漠的地带。不过区别于一般的沙漠，这里的沙子是全白的。从位于APO上，装有斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，以下简称SDSS）的2.5米望远镜的屋外，眺望白沙国家纪念地，可以看到远处白茫茫的一片。白沙纪念地附近有一处导弹实验基地，由于导弹实验基地测试导弹，我们在去APO的路上还遇到了交通管制。

我们从APO所在的萨克拉门托山下的沃尔玛买足四天四夜的粮食后开车上山。值得一提的是，我们由山脚下前往APO的公路编号为6563。学天文的人大多对这个数字有特殊的情感，这是因为天文光谱中最重要的Hα谱线的实验室波长为6563Å。据介绍，美国这一级别的公路一般使用三位数字编号，而这条通往APO公路的四位编号是APO特别向州政府申请获得的。由于紧邻APO的美国国家太阳天文台的缘故，APO所在的地区被命名为太阳黑子（Sunspot）。在沿着这条6563号公路上山的过程中，我们相继看到路边立着一系列告示牌，上面标着海王星、天王星等太阳系行星。而这一系列路标的终点，是6563号公路的尽头，美国国家天文台访客中心前直径为5.5米的半球形太阳模型，内有太阳相关知识的介绍。按照模型与真实天体的比例，这一系列路标被放置在各行星轨道与6563号公路的交点上，构建成一个比例为1：2.5亿的简易太阳系模型。我们没有看到冥王星的路标，并不是因为它被赶出了行星行列，而是因为我们拐上6563号公路的时候已经错过了冥王星路标。

1

超链接

有趣的白色沙子

这种特殊白沙的形成要追溯到2.5万年前，白沙纪念地原来是个内陆海，后来海水干涸，水中沉积的矿物质形成了石膏岩。而后地表运动，此地又形成了一个盆地，同时石膏岩运动到围成盆地的山上。盆地形成后此地一时雨量很大，石膏岩被冲到盆地中形成了湖泊。而后湖泊又干涸，石膏岩再次重见天日。再加上风蚀，石膏岩被吹得粉碎，最终形成白色的沙粒并随着沙丘移动。事实上，由于石膏溶于水，所以它很难成为岩石的主要成分，这也是为何世界上只有少数地区才能形成这样的白沙。由于目前白沙纪念地的年降水量很少，且周围没有大型水域，石膏不可能被水冲进海里或者湖里，少量的雨水也只是慢慢地渗到地下，于是就留下了白色沙子。

2

3

4

我们到达APO时太阳已经快要落山。APO海拔约2800米，由于旅途劳累，我有一些轻微的高原反应，只是听了听管理员老师讲解住宿事宜之后便整理照片及准备休息。比较令人意外的是APO的宿舍里有老鼠，这让我不得不想起之前曾听过，国家天文台兴隆观测基地的住宿水准已经超过了不少国外天文台，看来情况属实。APO主要由新墨西哥州立大学管理，并且拥有天文台3.5米望远镜20%的观测时间。这算得上是一个名气不是很大，但天文专业很好的学校。

我们接下来几天的日程就基本是上午补觉，下午由我们这门天文观测课程的老师，我系的史蒂夫·马耶夫斯基(Steve Majewski)教授为我们上课，以弥补因为旅行而耽误下的课程。而晚上的时间则是重头戏，我们将用APO的3.5米望远镜完成课程项目。

（一）参观美国国家太阳天文台

在APO的第二天下午，我们来到APO隔壁的美国国家太阳天文台进行参观，观摩了两台望远镜。

我们先参观的是约翰·埃文斯太阳望远镜（John W. Evans Solar Facility，以下简称ESF）。ESF是一架日冕镜，坐落在一个直译为“大圆顶”（Big Dome）的建筑里（图3），建成于1953年。不同于一些太阳望远镜在晚间可用来观测一些亮星，大圆顶里面的望远镜在晚上以及白天不可见太阳的时候，都是不工作的。

大圆顶的形状是个锥形，入口在图3右侧有红色扶手处，要先下一段小坡方能进入圆顶内部（图4）。

图4中的日冕镜是赤道式的，在镜筒的尾部有个方形箱子，里面装有一块可以制造人造日食的圆片，原理类似于位于日地第一拉格朗日点的索贺太阳和日球层探测器（简称SOHO）。我们平时看到的都是太阳的光球层，只有在日全食的时候，才有机会观测到色球层和日冕层。得益于这里相对稀薄的空气，特制的圆片可以挡去明亮的光球层，起到人造日食的效果。通过观测太阳的日冕层，我们可以知道在光球层活跃的区域发生了什么样的物理现象（比如太阳黑子），还可以了解太阳产生的能量是如何从其表面传到空间中去的。

参观美国国家太阳天文台的第二站是理查德·邓恩太阳望远镜（Richard Dunn Solar Telescope，以下简称DST）。DST位于一座高41.5米的真空塔里（图5），非常气派。

如同冰山一样，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米长。从塔顶到塔底，是DST的整个光学系统（图6）。首先，这颗离我们最近的恒星亮度太高，和我美国西南游第一篇文章介绍的位于基特峰观测基地的麦克马斯-皮尔斯太阳望远镜（McMath-Pierce）一样，我们必须把太阳望远镜的焦距拉得很长，才可避免终端设备被超强太阳光烧毁。这就是为何DST的光路要制成100多米长。其次，为避免地表的湍流影响像质，进光口被放在了41米高的塔顶。太阳光进入的窗口是一个76厘米的圆窗，最后在地面的观测室里形成一个51厘米的太阳投影像。可惜我们在参观的时候，此望远镜因为资金问题停掉了，我们遗憾地没能看成当日的太阳投影。为追求高像质，DST的整个光路系统是抽真空的，顶部有个器械吊着整个系统，下面则是用水银填补，使整个系统浮在水银上，以浮力作为支持力。此项工程十分浩大，要知道DST的长度比足球场长，重量约250多吨。

此外，由于太阳望远镜受到太阳的加热，白天的大气湍流往往比夜里更强，这使得穿过大气的太阳像抖动得很厉害（类似于夏天高温路面上呈现出的蒸汽现象），视宁度很差。建造更大的望远镜，仅仅能收集更多的光线，但不能提高望远镜的分辨率、得到更多细节。因此，太阳自适应光学系统应运而生。相比于夜间望远镜观测对比度很强的星像，太阳自适应光学系统面临的情况更加困难。DST的自适应光学系统使用波前探测器探测太阳像各个区域的波前形状，根据复杂算法，实时反馈到主镜面上，用主镜面的形变来抵消大气抖动对太阳像的影响。在DST诞生的第一代太阳自适应光学系统可以在良好的天气状况下，使太阳像接近望远镜的衍射极限。同时，此自适应光学系统也对之后的太阳物理研究产生了深远影响。

（未完待续）

5

6