我国在南极的天文观测

紫台在空间高能电子观测领域取得的重大突破
不明来历高能电子可能是暗物质粒子湮灭证据  
紫金山天文台      
     11月20日出版的《自然》杂志发表了中科院紫金山天文台与国外同行合作发表的论文“宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现‘超’。这是紫金山天文台空间天文实验室与国外同行在宇宙高能电子空间观测领域的最新发现。

    暗物质的存在目前科学界已经有了很强的证据，但它究竟是什么？直到现在还不清楚，因此，暗物质的探测成为目前科学界最大热点之一。紫金山天文台与美国、德国、俄罗斯的有关单位自1998年开始合作，研制和不断改进探测器，利用美国南极长周期气球项目观测高能电子。结果发现，电子能谱在3000至8000亿电子伏特能量区间，与理论结果比较有一个很强的“超”，分析表明该“超”可能是暗物质粒子湮灭的产物，观测结果与暗物质理论预言的Kaluza-Klein 粒子模型吻合得很好。该结果如果正确，不光是解决暗物质是什么这个难题，同时暗示宇宙存在额外维，可能导致物理学方面的重大突破。

    该项研究共有20位合作者，涉及中国、美国、德国、俄罗斯等国家的7个研究单位，紫金山天文台为第一单位，负责科学思想的提出、高能电子探测技术、观测数据分析、理论研究和文章的成文。

    该成果目前已引起国际学术界的广泛关注。《自然》杂志为了宣传该论文的科学意义，对本文的第一作者——紫金山天文台研究员常进作了专访并发表在同期杂志上。《自然》还在同期“News & View”栏目进行了专题报道。《科学》杂志也将以“Dark Matter Story” 为题，重点介绍该成果。此外，英国的《新科学家》、美国《纽约时报》、美国航空航天局科学中心的science@nasa 等媒体也都将在近日对该成果进行报道。

    评论普遍认为，该观测如果被证实，将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。同时在天文观测中，开启了一个新的“窗口”。瑞典斯德哥尔摩大学，暗物质理论专家Lars Bergstrom对《科学》杂志的记者说，ATIC数据与Pamela数据吻合很好，一方面ATIC测量了电子和正电子流量总和，另一方面测量了更高能量范围的上升，并看到了流量下降，所以从ATIC测量结果看，目前的探测结果更像暗物质粒子湮灭。 当然，目前电子的观测精度还不高，该“超”也不能完全排除来自于近地附近的特殊天体。即使这样，这一结果也很有意义，这是人类第一次直接探测到来自于“天体”的高能粒子。英国爱丁堡大学Taylor教授对《新科学家》的记者说：“即使最后证明该超不是暗物质产生的，ATIC观测对解决宇宙线起源这一未解之谜意义重大。”

    背景资料：

    国际上高分辨观测宇宙高能电子能谱一直是空白，因为在空间观测高能电子是一件十分困难的事情，主要问题是如何将高能电子从大量的宇宙线本底中找出来(宇宙线本底流量比高能电子流量高100到1000倍以上)，常用的空间磁谱仪方法(类似于AMS)，技术复杂，价格昂贵。紫金山天文台空间天文试验室一直工作在国际前沿，希望找到一种简单便宜的方法，在空间观测高能电子。

    美国南极长周期气球项目“ATIC”原来的科学目标是在空间观测高能宇宙线，电子和伽玛射线不在其列。1998年，紫金山天文台常进研究员与 “ATIC”接触，提出用探测器观测高能电子的建议。紫台通过大量的计算，证明适当地修改设计，“ATIC”可以同时观测高能电子和伽玛射线，结果被“ATIC”项目组初步接受。1999年，课题组专门将探测器运到欧洲核子中心进行实验，测试结果表明探测方法完全可行。2001年，探测器在南极进行了第一次试观测，观测结果表明“ATIC”可以同时观测高能电子和伽玛射线。2002年，探测器在南极进行了正式观测，获得完全成功。2007年，ATIC进行了第四次观测(2005年，第三次观测因为气球的原因没有成功)，紫金山天文台专门派人去南极美国基地负责电子观测。探测器专门为了观测电子进行了修改，能量分辨提高了2倍，本底降低了5倍。初步分析表明，观测结果与前几次观测吻合得很好。

    名词解释：暗物质

    1937年，天文学家弗里兹·扎维奇(Fritz Zwicky)发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。最新天文观测表明：宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙的25%，暗能量占70%，而我们通常理解的物质只占宇宙质量的5%。宇宙“暗”的一面，主宰了整个宇宙。尽管天文大尺度观测结果间接验证了暗物质的存在，但物理上直接的观测证据到现在还没有找到。

    额外维

    “维”是表示空间或图形的广延性而使用的一个概念。爱因斯坦提出宇宙是空间(三维)和时间(一维)合起来组成的“四维时空”。1926年，德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时空(即三维空间加上时间)上再添加一个空间维，也就是添加一个第五维，把爱因斯坦的相对论方程加以改写，改写后的方程式可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。后来，凡是这样添加的维都叫做“额外维”。即空间是3＋N维的。这些N个额外维被局限在极小的空间尺度内。

南极Dome A：
Dome A预期可以有一半时间seeing好于0.2 arcsec，并且有比夏威夷和智利的天文台址更少的大气干扰。Dome C的情况参见Lawrence et al., Nature, 431, 278 (2004) ，Dome A预期比Dome C好，大气温度更低、风速更小、湍流边界层也更接近地面。DOME C的湍流层有30米左右，DOME A 比 DOME C高约900米，虽然缺乏基础设施，但它可能是一个更佳的台址。模型表明DOME A湍动层很薄，可能只有5米厚。
南极的寒冷和干燥特别适于红外和亚毫米波天文学观测。红外观测效率对温度特别敏感，冬季黑夜温度下降至零下90度，可消除来自大气和望远镜自身的大部分噪声。
20世纪80年代，中国天文学家就计划在南极开展天文观测工作，并研制了一台40厘米地平式望远镜，但该计划未能实现。
2005年1月18日，中国第21次南极冰盖昆仑科学考察队成功抵达南极内陆冰盖(DOME-A)的最高点。
2006年12月24日，中国南极天文中心在南京紫金山天文台宣告成立。
2007年3月26日，中科院知识创新重要方向项目《南极冰穹A的天文选址和天文观测》在南京通过专家组评审，项目正式启动。该项目参加单位包括中科院紫金山天文台、中科院南京天文光学技术研究所、中国极地研究中心、南京大学、国家天文台总部和天津师范大学，国际合作单位包括澳大利亚新南威尔士大学、美国加州理工学院、美国加州大学伯克利分校。
2007年4月，国家批准在南极建立天文科考站。
2007年11月12日，“雪龙”号南极科考船从上海启航奔赴南极。今年1月，中、澳、美、新西兰、英国共同研制的用于台址测量的南极高原天文自动观测站PLATO已由我国第24次南极科考队放到Dome A，2月18日完成安装。
PLATO通过铱星系统进行控制和监测，大部分数据将在2009年1月由科考队带回。PLATO电脑系统基于2台PC/104系统,每个都可以通过铱星远程控制并每天传回20MB的数据。电脑以USB闪存启动，通过了低温和高海拔测试。基于Debian GNU/Linux系统的单一文件系统最大限度保证了稳定性。
PLATO包括：
小型光学望远镜阵CSTAR。CSTAR是由4台14.5厘米口径的大视场望远镜装在同一个机架上构成的小望远镜阵, 角视场为4.5°x4.5°, 焦比1.2,分别配置白光和g、r、i四种滤光片,探测器为1kx1k的帧转移CCD。CSTAR的科学目标主要是进行变星监测及统计分析，寻找系外行星、超新星等，对南天极天区每20s成像一次，持续观测4个月。3月20日起，CSTAR开始传回数据，星等最暗达16.5等，此时Dome A尚未进入极夜（5月进入极夜）。
preHEAT望远镜。观测银河系的亚毫米波段。模型显示Dome A可能是地球上仅有的能接收百亿赫兹电波的地方，这对于理解星际介质和恒星生命周期具有重要意义。
在地面和平缓气流之间的湍流边界层的高度对于光学天文学家来说是很重要的。地球大气使得恒星（还有其他物体）的图像发生抖动。如果这个边界层如预计的高度比较低，将望远镜建在塔上消除其影响就是可行的，这将极大简化甚至消除自适应光学所需的消除湍流的效果。 SNODAR是一个声雷达，用于探测大气湍流、边界层的高度和其他大气结构。 另一个边界层试验DASLE是一组风速计，沿着15米塔放置。它用于精确测量风速和风向。
Gattini是一双天文照相机，用于精确测量天空亮度和云层面积。这两组参数对于大口径望远镜不受干扰的观测时间和观测深度的确定极为重要。
http://mcba11.phys.unsw.edu.au/~plato/
未来计划有：
近期（2-3年左右）：目前南京天文光学技术研究所正在研制AST3 (3台50cm/75cm的施密特望远镜)，计划于2009/2010年安装在Dome A，作为XIAN的样机。据说由Caltech提供16Kx16K CCD。XIAN计划(eXtreme Imaging Array Network)是一个400x50cm望远镜阵，与美国、澳大利亚、法国、意大利合作研制。每个望远镜有20平方度视场，其中200个望远镜用于监测南天极附近4000平方度天区，另200个的用于监测南天其他天区。
中期（5-8年左右）：与UC Berkeley合作，我方提供2台35cm选址望远镜，美方提供CCD及计算机等，计划2008年分别安装在冰穹A和C进行比较观测。
建设一个2米级的LAMOST型大视场巡天望远镜。或一个4米大视场巡天望远镜，FOV 2度，R波段深度可达29等，性能相当于LSST，耗资约3000万美元。
远期（10-15年左右）：一架8-16米的LAMOST类型的大视场大口径望远镜。15～30米的光学/红外/亚毫米波望远镜。
我国计划在DOME A建一个常年基地（越冬站），2010年开始运行。

Antarctic disadvantages:
Winterizing a telescope takes time/effort
It is difficult to repair faults in mid-winter
It is more expensive and difficult to have a large team of people at the telescope (hence automation is critical)
Transporting large structures to Dome C incurs a year’s delay at Dumont d’Urville station
The telescope is being built on ice foundations
Less cloud-free dark time than Chile (although the same as Mauna Kea)
Aurorae (although Dome C is in the middle of the auroral oval)
Less overall sky coverage

Antarctic advantages:
Superb seeing (0.27 arcsec average; < 0.15 arcsec for 25% of the time)
Wide isoplanatic angle, long coherence times (a factor of 2 better than MK)
Lower scintillation (a factor of 2-3 times lower than MK)
Low precipitable water vapour – new windows, wider windows
Stable atmospheric conditions
Low IR backgrounds (factors of 10-100 better than MK)
Low telescope temperatures (particularly important for interferometry)
Greatly reduced telescope costs (for the same performance)
No aerosols or dust particles
Longer mirror coating lifetimes (no need for recoating?)
Reduced airmass variations
>90% cloud free at Dome C; long periods of continuous observation
Low windspeeds, low maximum wind speeds
No seismic activity No endangered species, etc Increased sky coverage (for some projects, e.g., AO imaging, interferometry) Plenty of room to put lots of telescopes!

记者近日对话中科院极地科考首席科学家刘小汉。

　　刘小汉简历：刘小汉，男，1948年生。1983年12月毕业于法国郎盖多克科技大学地质系，获得法国理学博士(构造地质专业)学位，1984年1月回到中科院地质研究所工作。分别于1984、85、90、98、99和2001年六次赴南极考察。2009年1月13日，将第七次赴南极考察。

　　现任中科院地质研究所研究员，博士研究生导师，岩石圈构造演化开放研究实验室主任和极地地质与矿产研究室主任，国际南极研究科学委员会(SCAR)地球科学工作组常任中国代表、中国科学院极地科学委员会秘书长等职。

　　主持人：首先请刘老师向我们介绍一下，中国在南极的考察，在国际上处于一个什么水平？

　　刘小汉：中国从1984年开始南极考察，派出了首次南极考察队。发达国家开始南极考察一般是从1956年和1957年，所以中国要比发达国家晚了将近30年。长城站还没有进南极圈，不那么冷，自然条件和环境比较好。世界上许多国家建第一个南极考察站的时候也是在这样的环境下。但是那毕竟不属于典型的南极环境，而要在典型的南极环境里面才可以开战一些顶尖的南极科目，必须要在南极大陆才可以。所以1989年我们在南极大陆又建成了第二个考察站。当然长城站我们的科研项目也不少，像一些地球物理的检测，还有古环境和古生态的研究等。但中山站研究项目就非常多了，一共有50、60个项目。

　　但是长城站、中山站都是南极的边缘，要开展更尖端的科学研究就应当在南极内陆的冰盖（5万平方米以上叫冰盖）上，这个难度非常大，目前一共有五个，中国此次在南极最高点冰穹A建立的昆仑站算第六个。但是在南极周边一共有40多个考察站，常年就有27、28个。所以昆仑站的建立将表明中国在南极科研舞台上已经站到了最高一层，与美国、俄罗斯、德国、日本、法国和意大利等国并驾齐驱了。

　　主持人：昆仑站为什么要选冰穹A呢？

　　刘小汉：因为在南极没有任何领土主权，否则大家都提领土要求的话，肯定会引起冲突，后果不堪设想。所以南极条约基本精神一个是和平，对领土主权全部冻结；一个是科学。

　　但是尽管如此，南极毕竟是一个除了科学以外，又涉及国际地位等问题。所以各国都想占一个最有利的位置。在南极什么地方最有利呢？南极点，美国先占了，冰点，俄罗斯（苏联）占了，磁点，法国占了。

　　主持人：别的国家占了为什么不在旁边再建自己国家的站点？


　　刘小汉：可以。但是毕竟南极是一个没有国界的地方，大家都希望自己占有优先权。在没有领土主权要求的情况下，优先权怎么体现？当然领土主权按照海岸国家领土的公约，一个国家提出对某一个地区提出领土主权有几个原则，第一个是你首先发现和首先到达这个地方，第二是对当地的居民实施有效的行政管辖。当然后来在北极经过联合国很多的协调，最后这个给谁，那个给谁。比如说我们北极黄河站，那个就是给挪威的，但是挪威必须承诺所有到这个岛上来签约国家的国民，有权向你们的公民一样享受平等的权利，可以开矿、办公司、做买卖等等。

　　主持人：到底归谁背后有政治谈判？


刘小汉：北极是。南极因为没居民，所以第二条对当地的居民实施有效的行政管辖就无从说起了。现在南极大家公认的游戏规则就是实际存在。实际存在就是说我中国人在这儿建了站，我实际存在了，以我这个站为圆心，周围这片地区我有优先权。但是旁边又建一个站，那我就在这两个站当中画一条线。但是谁第一个建站了就不希望别人来“瓜分”，比如美国建了站了，中国非要在美国旁边建一个站也可以，但是这会把平衡打破，美国就会说我也在你旁边建一个站，这就麻烦了。

　　主持人：起步我们落后了近30年，为什么会抢到美国等国之前在最高点建站？


　　刘小汉：从科研能力和国力来讲，最有可能抢到我们之前在最高点建站的是美国、澳大利亚和俄罗斯。为什么我们会抢得？第一是他们没想到那有最厚的冰，第二是没想到那有最薄的冰，这样冰穹A既能采到最深的冰（可能有最老的冰芯，大概100万年以前的）和最浅的冰（能采集到岩石样片），第三是没想到的是这里天文观测得天独厚，原因是冰穹A大气透明度和明镜度和干燥度都特别高，再加上那儿没有风。按照现在我们这两年的观测，冰穹A的大气环境对于天文观察来讲，堪比太空哈勃望远镜，某些波段比太空的哈勃望远镜效果还要好。这些让美国等始料未及。


　　另外还有一些客观原因，比如当时美国正在重建极点站，一共花费了10年时间，根本无暇顾及冰盖最高点，当然美国极点站是离冰盖最高点最近的，如果美国在最高点建站最容易。澳大利亚南极大陆边缘的科考站比我们中山站离冰盖最高点更远，这样补给等各方面比我们困难，俄罗斯是因为科研经费紧张。所以现在美国一定要跟我们在天文观测方面进行合作。


　　主持人：南极冰盖最高点海拔4000米，会有最厚的冰应该比较容易想到的？


　　刘小汉：南极冰盖下有一个干伯采夫冰下山脉，过去大家甚至怀疑冰下山脉的最高峰有可能刺破冰层，所以认为这儿的冰芯也不会太古老。后来根据考察，虽然山很高，但是山很陡，沿着陡坡的冰盖就非常厚。这点是他们没有预料到的。

　　主持人：极点、冰点、磁点、最高点，从科研和战略两方面来看，价值哪个更高？

　　刘小汉：毫无疑问是美国的极点站，美国在极点开展了非常多的科研工作。而且美国在南极的经费投入，就我个人目前初步的了解，比我们高一个数量级，甚至不止高10倍，可能足有50倍之多。除了美国联邦政府、美国基金会拨款，还有航空航天局、美国博物馆、各个大学和各个民间基金会都会出资，因此每年的投入几乎很难计算，投入的渠道非常之多，而美国在南极的科学家每年都是上千人，而我们不到100人。平时在长城站夏天是20、30个人，冬天就是更少了。


　　主持人：历史方面，1984年中国第一次派队前往南极时，改革开放刚开始不久，国家并不富裕，为什么就能够想到要派队考察南极？


　　刘小汉：其实50年代末，有一些中国的老科学家像竺可桢就已经向中央提出过介入南极的建议，说将来人类石油等资源耗竭了，南极就是最后的仓库了，但是当时中国由于各种原因，一直到改革开放后到80年代开始筹备，然后陆续派出科学家到外国考察站去搜集经验，为中国建站做准备，1984年我们才正式组织了首次南极考察。


　　主持人：中国介入南极是改革开放的产物？

　　刘小汉：可以这么说。

中国航天报讯 中国南极昆仑站2月2日正式开站。当地时间上午9时25分，北京时间中午12时25分，中国南极昆仑站开站仪式在南极中山站和昆仑站通过卫星电话连线同时举行。中国政府代表团团长、国家海洋局副局长陈连增在南极中山站代表中国政府宣布南极昆仑站正式开站。
　　我国南极昆仑站所在的冰穹A因其独特的地理位置，极有可能是全球最好的天文观测站址。我国在冰穹A安装的天文自动观测站经过200多天的连续观测，传回大量科学数据，证实了这一理论上的推测完全正确。
　　据中国南极天文中心的天文学家朱镇熹介绍，我国第24次南极科学考察队于2008年2月在南极“冰盖之巅”冰穹A安装的天文自动观测站，目前已成功进行了200多天的越冬观测，其中包括了134天的极夜观测，创下南极天文观测的新纪录。
　　中外天文学家通过对传回的3G数据进行分析，从而得知冰穹A地区的大气边界层高度、现场实况、温度变化、云层覆盖及变化，望远镜观测还发现了十多颗“变星”及“食变星”等。
　　科学数据表明，冰穹A夏季气温零下40摄氏度，冬季气温达到零下80多摄氏度，是地球上自然环境中的最低气温。冰穹A的湿度也极低，由于水汽对亚毫米波段的电磁波吸收较为严重，在地球其他地方不能进行的亚毫米波段天文观测，在冰穹A都成为可能。
　　“我们通过声雷达实测还证实，冰穹A的大气边界层高度仅15米。这就是说，我们只要在冰穹A上将望远镜架高15米，就可以进入大气湍动很少的平流层进行天文观测，从而获得极佳的天文观测条件。”朱镇熹说，“现在科学家拥有最大综合口径16米的光学望远镜，当在南极建起30米或更大望远镜时，我们将会看到宇宙的边缘！”
　　我国南极昆仑站的成功建立，为我国今后在冰穹A进行天文观测打下了坚实的基础。

中国将在南极冰原最高点架设施密特望远镜阵


   




　　继2008年1月在南极冰原最高点冰穹A架设中国南极小望远镜阵（CSTAR）之后，中国天文学家将在冰穹A上架设更为强大的南极施密特望远镜阵（AST3）。
　　在此间举行的第三届海峡两岸天文望远镜及仪器学术研讨会上，南京天文光学技术研究所宫雪非副研究员透露，AST3的设计工作已经基本完成，目前已进入到加工测试阶段。首台AST3望远镜预计在南极的2010-2011年夏季安装。
　　AST3由3台口径为50-70厘米的施密特式望远镜组成，可以灵活调整镜筒指向。而CSTAR由4台口径为14.5厘米口径望远镜组成，镜筒固定指向南天极方位。
　　宫雪非说，探测能力更强的AST3将在暗物质、暗能量、变星、双星和太阳系外行星等方面的观测上发挥更大作用。
　　在此次研讨会上，南京天文光学技术研究所的多位专家分别就AST3的机械结构、温度控制、计算机控制和视宁度测量等课题发表了学术报告。宫雪非说，这些方面的设计都充分考虑了南极低温低压环境的需要，同时也参照了CSTAR的运行经验。
　　南级地区因为气候寒冷干燥、大气透过率好、极夜漫长、风速低、灰尘少以及没有人工灯光干扰等因素，具备良好的天文观测条件。2008年1月，中国第24次南极科考内陆冰盖考察队在南极内陆最高点冰穹Ａ安装了包括CSTAR和Pre-Heat射电望远镜在内的PLATO南极高原天文观测站。
　　宫雪非是中国第25次南极科考队中唯一的一名天文科研工作者。他在2008-2009的科考活动中对PLATO进行了维护。
　　观测结果显示，冰穹A地区的天文观测条件堪称极佳，是放置大型光学天文望远镜的理想地点和开展太赫兹波段射电天文观测的最佳窗口，它的一些观测条件甚至可以与太空相媲美。
　　因此，在南极的2009-2010年夏季，中国科考队计划在冰穹Ａ安装一台探测频谱更宽的傅立叶频谱仪。而在未来数年，中国天文学家还将在冰穹A上安装口径更大、探测能力更强的光学望远镜和射电望远镜。
　　

我国将在南极冰穹A建立天文台
　　记者从中科院紫金山天文台中国南极天文中心了解到，随着第三批天文学家奔赴南极进行各项准备工作，我国在南极冰穹A建立天文台的目标又向前推进了一步。

　　中国第26次南极考察队11日乘坐“雪龙号”启程。与前两次一样，科考队中出现了天文学家的身影。天津师范大学的商朝辉、南京天文仪器研究所的胡中文，这两位天文学家此行有四大科学任务，将太赫兹傅立叶分光光谱仪(FTS)装上冰穹A和为大口径望远镜做地基是其中最为重要的两项工作。

　　“目前，由中国极地研究所及中国南极天文中心一起研制的一组自动观测设备已经在南极冰穹A越冬连续观测270多天，这已经创了世界纪录。”中科院紫金山天文台中国南极天文中心研究员王力帆告诉记者，“我们的目标是在那里建立全世界性能最优越的天文台，用以探测宇宙起源以及搜寻地球外生命的痕迹。”

　　海拔4093米的冰穹A是南极内陆冰盖最高点，也是地球上气温最低点，被称为“不可接近之极”。冰穹A是目前地球上已知的天文观测条件最好之处。

　　目前紫金山天文台正与东南大学合作研制南极冰穹A科考支撑平台。据项目负责人冯珑珑研究员介绍，他们的目标是新平台各方面性能要超过目前正在使用的“高原自动观测站”。

　　建立天文台最关键的是高水平的观测设备。中科院南京天文光学技术研究所正在紧张研制3台通光口径为50公分的广角望远镜，如果一切顺利的话，明后年我国天文学家就将把广角望远镜架设到冰穹A上，届时望远镜阵将用于暗物质、暗能量、变星、双星和太阳系外行星等方面的观测。

我国的南极天文台
我国明后年将建起南极天文台


　　中科院紫金山天文台中国南极天文中心称，随着第三批天文学家奔赴南极进行各项准备工作，中国在南极冰穹A建立天文台的目标又向前推进了一步。
　　建立天文台最关键的是高水平的观测设备。中科院南京天文光学技术研究所正在紧张研制3台通光口径为50厘米的广角望远镜，如果一切顺利的话，明后年中国天文学家就将把广角望远镜架设到冰穹A上。