¡Ice Dome A fue seleccionado como el "Mejor lugar para observar las estrellas del mundo"! Ve a la Antártida y observa las estrellas más claras de la tierra.

Mirando hacia el vasto cielo estrellado de la Tierra, ¿dónde puedes verlo más claramente? La respuesta es la Antártida. Las personas que viven en el "fondo marino" de la atmósfera, para poder ver el cielo estrellado de la manera más realista posible, buscan puntos de observación con una atmósfera clara y tranquila. Recientemente, científicos chinos descubrieron que el Domo A, ubicado en el punto más alto de la Antártida, es el mejor lugar para observar las estrellas del mundo. Allí las capacidades de observación del telescopio óptico de 2,5 metros son comparables a las de otros telescopios de 6 metros. Esto traerá nuevas oportunidades para el desarrollo de la astronomía antártica en China.

¿Dónde están las estrellas a las que no les gusta “parpadear” en el hogar ideal de los telescopios?

Desde la antigüedad, el hombre observa el vasto cielo estrellado a simple vista. En 1609, Galileo apuntó por primera vez su telescopio al cielo nocturno y descubrió cráteres en la Luna, manchas solares y los cuatro satélites más grandes de Júpiter. Esto amplió enormemente los horizontes humanos y abrió la puerta a la astronomía moderna.

El cielo estrellado en el Domo A fue capturado por el Cloud Aurora Monitor del Observatorio Astronómico Nacional de la Academia de Ciencias de China. Incluye una vista panorámica de 360° desde el cenit hasta el suelo. cerca del suelo está la aurora.

Más de 400 años después, con el avance de la ciencia y la tecnología, la tecnología de los telescopios ópticos ha sufrido muchos cambios. En términos de diámetro, el diámetro del telescopio en la era de Galileo era de solo 4 centímetros, pero el telescopio óptico más grande construido hasta ahora alcanzó los 10 metros, y el diámetro del Gran Telescopio ELT del Observatorio Europeo Austral en construcción alcanzó los 39. metros, mientras que el diámetro del ojo humano Las pupilas sólo pueden dilatarse hasta unos 8 mm en la oscuridad.

Según cálculos teóricos, la resolución de un telescopio con un diámetro de 1 metro puede alcanzar los 0,1 segundos de arco (equivalente a mirar una moneda a una distancia de 10 kilómetros), pero en realidad no ha sido así. logrado durante mucho tiempo. ¿Por qué?

Esto se debe al ambiente. Todos hemos tenido esta experiencia: el agua tranquila es cristalina, pero el agua turbulenta distorsiona la escena submarina. Lo mismo ocurre con el aire, que está lleno de turbulencias.

Las turbulencias en la atmósfera provocan cambios constantes en el índice de refracción de la atmósfera en diferentes lugares, del mismo modo que la atmósfera está cubierta por pequeños espejos deflectores. Por ejemplo, la turbulencia atmosférica a gran altitud puede hacer que las estrellas "parpadeen".

Este conjunto de turbulencias atmosféricas añade limitaciones adicionales a la resolución del telescopio. La resolución real del telescopio sólo puede "comprometerse" al mayor de estos dos valores, cuando la apertura del telescopio. es más pequeño que la atmósfera Cuando el tamaño de la turbulencia es grande, la resolución real es la resolución del telescopio; por el contrario, no importa cuán alta sea la resolución del telescopio en sí, la resolución real solo puede ser la resolución de la turbulencia atmosférica;

Dado que la apertura de los telescopios ópticos ha alcanzado el nivel de un metro, las turbulencias atmosféricas con un diámetro de varios centímetros a más de diez centímetros son siempre mucho más pequeñas que la apertura del telescopio, y la visibilidad correspondiente oscila entre 1 a varios segundos de arco, lo que limita en gran medida el rendimiento real del telescopio. Por lo tanto, para aprovechar al máximo el potencial de los telescopios, encontrarles alojamientos adecuados se ha convertido en la tarea principal de la observación astronómica. El impacto de la turbulencia atmosférica en la resolución de las imágenes de los telescopios se denomina "visibilidad atmosférica" ​​y a menudo se utiliza como base importante para la selección del sitio astronómico.

Después de décadas de arduo trabajo de selección de sitios, los mejores sitios del mundo ahora se concentran en áreas de latitudes medias y bajas como Hawaii, el norte de Chile y las Islas Canarias de España. La altitud de estos lugares oscila entre más de 2.000 metros y más de 4.000 metros, la visibilidad es de 0,6 a 0,8 segundos y la proporción de días soleados por la noche alcanza el 70%-80%. Por lo tanto, la mayoría de los telescopios de 8 a 10 metros del mundo y tres telescopios de 30 metros en construcción se encuentran en estas áreas.

Los países de la meseta antártica compiten por encontrar el lugar con mejor visibilidad.

Telescopio de dioptrías Kunlun. Foto proporcionada

El continente antártico está cubierto de hielo espeso durante todo el año. El espesor promedio de la capa de hielo antártica supera los 2.000 metros, formando la meseta interior antártica.

Debido a su ubicación geográfica única, la Meseta Antártica siempre ha sido considerada un excelente lugar de observación. Sin embargo, debido a su duro entorno natural y su apoyo logístico relativamente débil, no fue hasta la década de 1990 que los científicos comenzaron a seleccionar sitios astronómicos en la Estación de Investigación Científica estadounidense Amundsen-Scott en la Antártida. Los resultados mensurables son bastante decepcionantes: la visibilidad de la Antártida es pobre, alcanza los 1,8 segundos, pero la turbulencia atmosférica se concentra principalmente en la capa límite dentro de los 100 metros cerca del suelo, y la visibilidad de la atmósfera libre por encima de la capa límite es de sólo unos 0,3 segundos.

La capa límite es la capa más baja de la atmósfera, se ve muy afectada por el suelo y concentra la mayor parte de la turbulencia atmosférica. Por encima de la capa límite, llamada atmósfera libre, casi no hay turbulencias. En estaciones excelentes situadas en latitudes medias y bajas, la visibilidad de la atmósfera libre es de unos 0,4 segundos, pero el espesor de la capa límite es de unos cientos de metros y su impacto es inevitable.

El viento catabático predomina en la Meseta Antártica, es decir, el viento sopla de mayor a menor. La altitud de la Antártida es de sólo 2835 metros, y está situada en la suave pendiente de la Meseta Antártica. el viento sigue siendo relativamente fuerte, lo que provoca más turbulencias atmosféricas. Pero en varios vértices de la meseta antártica, la velocidad del viento será pequeña, por lo que la turbulencia será mínima y se espera que la visibilidad sea buena. Estos vértices incluyen el Domo A (80° 22′S, 77° 21′E, 4093 m sobre el nivel del mar), el Domo C (75° 06′S, 123° 20′E, 3233 m sobre el nivel del mar) y el Domo F ( 77° 30′S, E).

Apoyándose en el sitio de investigación científica franco-italiano ubicado en el Domo C, el equipo internacional llevó a cabo una gran cantidad de estudios de observación.

En 2004, un equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia publicó los resultados de la medición de la visibilidad nocturna del Domo C en la revista británica "Nature". A una altura de 30 metros sobre el suelo, la visibilidad alcanza los 0,27 segundos de arco, lo que significa que el espesor de la capa límite del Domo C es de sólo unos 30 metros.

Desde entonces, equipos franceses e italianos han llevado a cabo muchos años de seguimiento utilizando diferentes instrumentos, confirmando además que el espesor de la capa límite del Granizo C es de unos 30 metros y que la visibilidad de la atmósfera libre es de unos 30 metros. 0,3 segundos. Dado que el Domo C es una estación de invernada, hay miembros de la expedición de guardia en la estación a medianoche y el suministro de energía es suficiente. Sobre esta base, el equipo franco-italiano instaló telescopios de pequeño diámetro en el Domo C, concretamente el ASTEP-South con un diámetro de 10 cm y el ASTEP-400 con un diámetro de 40 cm, y realizó múltiples observaciones de estrellas variables y del sistema solar durante la noche polar La búsqueda de exoplanetas. También propusieron un telescopio óptico infrarrojo de 2 metros, pero no fue aprobado ni financiado.

Japón tiene una estación en el Dome F, pero es una estación de verano. Los astrónomos japoneses realizaron cuatro días de mediciones de visibilidad diurna en 2011.1. Dado que la altura del telescopio es de sólo 2 metros, se ve muy afectado por la turbulencia de la capa límite atmosférica y la visibilidad obtenida es de 1,1 segundos de arco. El 13 de junio de 2013 erigieron una torre de 9 metros de altura y la observaron durante más de 20 días. La visibilidad media durante el día fue de unos 0,5 segundos. También se midió una excelente visibilidad de aproximadamente 0,3 segundos cuando el espesor de la capa límite era menor que el espesor del telescopio. Sin embargo, hasta el momento no hay mediciones de la visibilidad nocturna del Domo F. ​​Además, los astrónomos japoneses también han propuesto un proyecto para construir un telescopio en el Domo F para observaciones astronómicas, pero no ha sido aprobado.

Además, aunque la Antártida no es un buen sitio de observación óptica, debido a que el aire en la Meseta Antártica es extremadamente seco, se le llama el "Desierto Blanco" y es un excelente lugar de ondas de radio y (sub) milimétricas. sitio de observación.

La fuerte capa de inversión y el Domo de Hielo A fueron seleccionados como los "Mejores Lugares de Observación de Estrellas del Mundo"

Desde una perspectiva de investigación científica, el continente antártico tiene cuatro puntos más importantes: el polo , punto de congelación, punto magnético y punto álgido.

Telescopio de dioptrías Kunlun. Foto proporcionada

Antes de la década de 1980, Estados Unidos, Rusia y Francia establecieron estaciones de investigación científica en los primeros tres puntos, respectivamente. Sólo el Domo A, el punto más alto en el interior de la Antártida, todavía estaba "en blanco". conocido como el "Polo de la Inaccesibilidad".

Desde 1997, el equipo de expedición científica antártica china avanza desde la estación Zhongshan hasta el Domo A. Después de años de ardua exploración, finalmente plantó la bandera roja de cinco estrellas en el punto más alto de la capa de hielo antártica. en 65438+ octubre de 2005.

Después de conocer esta emocionante noticia, los astrónomos chinos se dieron cuenta de que se trataba de una gran oportunidad en la historia de la observación astronómica china. Durante mucho tiempo, las observaciones astronómicas de mi país han estado a la zaga del nivel avanzado internacional. Si podemos aprovechar las excelentes condiciones del sitio del Domo A y elegir un diseño de telescopio único, podemos alcanzar o incluso superar niveles de clase mundial en algunos campos.

Por esta razón, los astrónomos chinos, junto con el equipo astronómico internacional, y con el fuerte apoyo de la Expedición Científica Antártica de China, llevaron a cabo el trabajo de reconocimiento del punto de observación del Domo A, del 5 de junio al 38 de octubre de 2008. , los astrónomos chinos llegaron al Domo A por primera vez y luego alcanzaron el Domo A muchas veces durante expediciones científicas antárticas posteriores.

En junio de 5438 y octubre de 2009, China estableció la Estación Kunlun en el área del Domo A. Durante muchos años de estudios del sitio, los astrónomos instalaron una serie de sitios de observación astronómica preliminares en el área de la Estación Kunlun. Los instrumentos de estudio del sitio han obtenido una gran cantidad de datos valiosos del sitio. Estos datos demuestran la superioridad del Domo A como punto de observación: el fondo claro del cielo nocturno es oscuro, equivalente o incluso más oscuro que los mejores puntos de observación en latitudes medias y bajas, la proporción de noches despejadas es alta y las noches sin nubes; La proporción llega al 83%, ligeramente mejor que el mejor lugar en latitudes medias-bajas. La velocidad del viento es muy baja. La velocidad media del viento a una altura de 4 m es de sólo 1,5-4 m/s, que es aproximadamente un viento de categoría 2, y el tiempo con viento superior a 10 m/s (aproximadamente un viento de categoría 5) es muy raro.

Lo más importante es que el espesor medio de la capa límite atmosférica en el Domo A es de sólo 14 m, ¡que es sólo la mitad que el del Domo C! En otras palabras, sólo es necesario construir una torre de unos 14 metros e instalar un telescopio para obtener una excelente visibilidad en la atmósfera libre. En 2019, los registros de medición del telescopio de medición de visibilidad KL-DIMM del Observatorio Astronómico Nacional lo confirmaron, midiendo directamente la visibilidad de la atmósfera libre en aproximadamente 0,31 segundos de arco. La revista "Nature" publicada recientemente publicó este resultado y dijo que "el Domo A es el mejor punto para observar las estrellas en la Tierra". La visibilidad es mejor en el Domo A que en sitios excelentes en latitudes medias y bajas, y allí se construyó un telescopio óptico de 2,5 metros para rivalizar con otros telescopios de 6 metros en otros sitios. En comparación con el Domo C en la Antártida, la dificultad de construcción y el costo del Domo A se reducen considerablemente.

La delgada capa límite del Domo A se debe a sus condiciones meteorológicas únicas. Debido a que la meseta antártica está cubierta de hielo, hay varios meses de oscuridad en la noche polar. Sin la irradiación y el calentamiento del sol, la superficie de la nieve se irradiará y enfriará rápidamente, lo que también enfriará el aire cerca de la superficie de la nieve. Como resultado, el aire cerca del suelo será más bajo y la temperatura será más baja. Esta es la llamada "capa de inversión". Debido a la presencia de la capa de inversión de temperatura, el aire antártico es generalmente muy estable.

¿Qué tan fuerte es la capa de inversión en el Domo A? Los astrónomos instalaron una torre meteorológica de 14 metros de altura y colocaron termómetros cada 2 metros. A una altura de sólo 2 metros de la superficie de la nieve, la temperatura es casi 15°C más alta que la superficie del hielo, y a una altura de 14 metros de la superficie del hielo, la temperatura es 20°C más alta que la superficie del hielo. Una capa de inversión tan fuerte forma la capa límite más delgada del suelo. Los datos de medición reales también confirman que cuanto mayor es la diferencia de temperatura, menor es la altura de la capa límite.

Al observar el cielo día y noche en la estación Kunlun, la investigación astronómica antártica de China está a la vanguardia del mundo

En la actualidad, la estación astronómica de la estación antártica Kunlun de China ha comenzado a tomar forma. Además de los estudios del lugar, también se realizaron algunas observaciones astronómicas.

Hay dos desafíos importantes al operar el telescopio en la estación Kunlun: primero, el entorno natural extremadamente duro. La temperatura promedio en invierno es de alrededor de -60 °C, y la más baja supera los -80 °C. En este período, el vapor de agua en el aire siempre está cerca de la saturación, lo cual es muy propenso a las heladas. En segundo lugar, la estación Kunlun sigue siendo una estación de verano; Solo hay más de 20 días en el verano antártico cada año en los que los investigadores científicos están en el lugar para realizar el mantenimiento necesario. El resto del tiempo no hay nadie de guardia, por lo que todos los equipos deben funcionar de forma automática y confiable.

Astrónomos chinos han instalado dos generaciones de telescopios ópticos en la estación Kunlun. La primera generación es el China Star Small Telescope Array CSTAR, que tiene un diámetro de sólo 14 cm pero un campo de visión de 20 grados cuadrados (unas 81 lunas llenas dispuestas en un cuadrado). El telescopio apunta fijamente al polo sur celeste. El telescopio de segunda generación es el Telescopio de reconocimiento antártico AST3, cuya apertura se ha aumentado a 50 cm. Es el telescopio óptico más grande de la Antártida, con un campo de visión de 4,3 grados cuadrados y funciones completas de orientación y seguimiento.

Utilizando las condiciones de observación del Domo A y la noche oscura de varios meses en la noche polar, CSTAR y AST3 llevaron a cabo una investigación centrada en la astronomía en el dominio del tiempo, es decir, estudiando los cambios de varios cuerpos celestes a lo largo del tiempo. tiempo.

China Star Small Telescope Array (izquierda), amarillo es la cabina de instrumentos de la plataforma de soporte Plato-A de cooperación China-Australia.

En el tranquilo cielo nocturno, las estrellas cambian todo el tiempo; algunas cambian de posición, como los asteroides, los cometas y los cuerpos celestes artificiales. Algunos asteroides pueden incluso chocar contra la Tierra, amenazando gravemente a la humanidad; el brillo cambia, se vuelve más brillante, más oscuro o incluso explota de la nada.

Si una estrella también tiene un planeta, cuando el planeta orbita frente a nuestros ojos, bloqueará la luz de su estrella madre, haciendo que la estrella se vea muy oscura, y el rango de atenuación es la distancia entre La relación de área del planeta y la estrella madre es tan pequeña como menos del 1%, o incluso 1/10000, 1/10000, lo que requiere un telescopio muy sensible para observar. AST3 es la primera búsqueda de exoplanetas a gran escala realizada por astrónomos chinos. Ha descubierto con éxito más de 100 candidatos de alta calidad y está realizando más investigaciones.

Además de estos pequeños cambios, en el universo se producen violentas explosiones, como las supernovas cuando las estrellas mueren. Al igual que AST3, ahora hay una gran cantidad de telescopios en el mundo que monitorean el cielo nocturno, buscan y estudian objetos celestes cambiantes. Para mejorar la eficiencia, el método de búsqueda utiliza principalmente tecnología de sustracción de imágenes, es decir, al tomar una imagen de un área del cielo y restarla de la imagen anterior (plantilla), los objetos celestes con brillo sin cambios se eliminarán básicamente después de un examen cuidadoso. por ordenador, finalmente los cuerpos celestes realmente modificados se confirman mediante inspección manual.

El 17 de agosto de 2065438, se observó por primera vez el evento de fusión binaria de estrellas de neutrones GW170817, y se observó tanto en ondas gravitacionales como en ondas electromagnéticas, marcando el comienzo de la era de la astronomía de múltiples mensajeros. AST3 también participó en la observación de seguimiento de la señal, proporcionando datos importantes para estudiar su mecanismo físico.

La astronomía antártica de mi país comenzó tarde, pero después de 10 años de rápido desarrollo, se ha convertido en líder en el mundo. Los astrónomos chinos han acumulado una gran experiencia valiosa en el desarrollo de telescopios en ambientes extremos y tecnología de observación automática desatendida, lo que ha sentado una base sólida para el desarrollo y operación de los grandes telescopios antárticos de mi país en el futuro.

Autor: Ma Bin

Fotos: A menos que se indique lo contrario, todas son proporcionadas por Ma Bin.