美国西南部重要观测基地概览（五）

□ 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（五）

□ 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。

（二）3.5米望远镜与激光测地月距实验

后面几天我们陆续参观了APO的3.5米望远镜，并用之做课程项目。我系每年有40个APO3.5米望远镜“半夜”的观测时间，比较均匀地分布于每年的四个季度里。“半夜”是APO分配望远镜时间的一大特点，由于APO3.5米望远镜切换不同系统终端（光谱仪或相机）的速度很快，所以每夜可以有两批人来进行不同的观测。如果系统切换很慢，则每夜只能供一组观测人员使用，然后等到第二天再换人。有月亮的夜晚，天空背景亮度比无月夜亮得多，因此很多暗源的观测必须要在无月夜进行。由于月相的原因，每个月实际上只有很少的几个没有月光干扰的无月夜。把夜间观测时间分半，就可以分出更多的暗夜，方便对月光干扰要求严格的项目进行观测。

不同于天文爱好者手中数码单反里面的CCD，职业天文观测所用的CCD，曝光之后读取的速度很慢，这是为了减少读取产生的噪声。且读取速度和曝光时间几乎无关。我们做的课程项目，是根据已经给定的几个源，在观测之前查好各个源过中天的时间，以确定观测顺序。由于天体在天顶附近时，星光穿过的大气相对薄，所以理想情况即是在天顶附近观测目标源。课程中由三人组成小组，一人负责用电脑控制望远镜曝光，一人负责记录观测日志（每次的曝光时间、存储名、对应的观测源和所用滤光片等），一人负责查看前一张的曝光结果。另外还有一名APO的工作人员在控制室确保望远镜运行正常，并完成对观测源的对焦等任务。但在实际观测时，这些工作其实只需要一位观测者在APO的工作人员配合下即可完成。APO3.5米望远镜允许远程操控，观测者可以通过软件在自己的办公室里检测天气，改变望远镜指向，设置曝光时间，并与位于现场的工作人员保持联系。但是为了获得远程操控望远镜的许可，观测员必须有至少4天的现场操作经验，这也是我系为我们安排这次旅行的最主要目的。

我们待在APO的这几天中，最酷的实验要数用这个3.5米望远镜进行激光测地月距了，如图1。激光测地月距（Lunar Laser ranging，以下简称LLR）可以达到难以想象的高精度。我们可以借此实验验证广义相对论对于地月系统相比于牛顿力学的修正效应，并据此验证广义相对论所基于的弱等效原理等。

APO的LLR实验。图中激光脉冲实际直径为3.5米，单个脉冲有两厘米厚。图中可见淡淡的银河，银河下部的亮星为金星。为防止月亮过曝，我用树木挡住了月光。

在阿波罗11号登月之后，LLR就开始展开工作了。阿波罗11号登陆月球表面时，当时的宇航员们放了第一块角反射器于月球表面。随后阿波罗14号、15号登月，加上苏联的月球步行者计划，人们在月球上总共放置了五块角反射器。月球上的角反射器，原理和公路两侧的各种指示牌是一个道理。角反射器的形状就是正方体的一个内角，三面全可反射光。其特点是无论光从哪个方向射入，都会被沿来路反射回去，所以我们不必在另一个特定的角度来接收返回的激光信号。由于月球上有不止一块角反射器，所以做LLR实验时，望远镜会向一个角反射器发射一段时间的激光脉冲，而后工作人员令其停下，更改望远镜指向，瞄准下一个角反射器，再发射一段时间激光脉冲。

APO所在的新墨西哥州非常干燥，大气透明度、视宁度都很好，APO的工作人员做LLR实验（这个特别的项目被称作APOLLO，即APO Lunar Laser ranging Operation，与阿波罗计划同名）时，我们看到的激光脉冲并不明显，感光度开到800，曝光40s以后才略显原型。如果激光脉冲可明显被肉眼看到，反而不是好事，说明当时的大气很浑浊，激光穿透大气的效率很低，大多数能量都被大气所散射。

APOLLO实验发射激光和接收反射光都是使用这个3.5米望远镜，其每秒发射二十个激光脉冲，每个脉冲有大约1017个光子，持续100 ps（10-10s），每个脉冲对应的长度为两厘米。原本直径3.5米的激光，在经过了38万千米的路程到达月球表面之后，其光斑直径达到2千米，这主要是由大气湍流引起光束发散。随后，激光在被角反射器反射时，由于小尺寸的反射器对光的衍射效应，返回光束更加发散，我们在地面上接收到的光斑直径此时增加到了15千米。在发射脉冲的间隙，望远镜切换到光度计模式，探测反射回来的光。取决于当时的天气状况，每个激光脉冲平均只有0.05～10个光子最终返回地球并被3.5米望远镜探测到。所以图1中拍摄的激光，全为发射过程中被大气散射的激光，而非从月球反射回来的激光。此外，由于激光有良好的单色性，我们可以利用一个窄带滤光片挑选出激光频率的光子，避免月光干扰接收返回的光子。

早先的LLR即达到了误差不超过25厘米的精度，相对于地月约38万千米的距离，这个精度已然惊人。到如今，LLR的误差已经缩小到了毫米量级。

（三）SDSS及其APOGEE子项目

我最早认识斯隆数字化巡天项目（Sloan Digital Sky Survey，简称SDSS），还是高中时读《天文爱好者》上樊晓辉老师的一篇文章了解到的。别看SDSS巡天所用的望远镜口径“只有”2.5米，但做出的诸多成果已不是我随便写写就能罗列完的。我也亲自体验了一把给SDSS巡天项目的2.5米望远镜换光纤板的过程。

维护SDSS2.5米望远镜的工作人员非常友善，他们知道我们来了，还特别邀请大家一起插光纤、给望远镜换光纤板。SDSS的光纤板为铝制，每块板子对应天上的某一片天区。根据星星的位置，工作人员会往板子上钻上很多小孔，然后在孔上插上光纤，把收集的星光传到终端设备上去。这些铝板都是一次性的，做完某片天区的巡天任务后，铝板就收起来不用了。SDSS的官方博客还介绍过科研人员是怎么对这些铝板进行废物利用的，颇有意思，对此感兴趣的读者可参考http://blog.sdss3. org/2014/09/19/sdss-plates/。SDSS内部人员可轻松获得一块废旧铝板以作纪念，对SDSS子项目有贡献的人员也都有可能获得一块铝板。APO隔壁的太阳天文台的游客中心里，也有从直径为60厘米的完整铝板上裁下的巴掌大小的铝板出售。

SDSS2.5米望远镜旁边器材室里存储的铝板，这些只是“冰山一角”而已。

我有一天的前半夜没有观测任务，于是继续了当时还不太娴熟的拍照业务。我在APO的那些天，月相都是上弦月，故而可以不用补光（当然我也不敢补光）就把星空和2.5米的SDSS巡天望远镜摄入其中，如图3。后来我在SDSS望远镜附近碰到了前来换光纤板的工作人员，于是被邀请一起参与换光纤板。SDSS的工作人员事先在上午把光纤都插好在铝板的一面，整个操作过程是在一个底部为铝板、侧面开放的圆柱形容器（Cartrige）中，如图4。每个板上有约1000个孔，对应1000根光纤，但工作人员在插光纤时不必记住哪个孔/哪颗星应该对应哪根光纤。当所有光纤各就各位之后，工作人员通过特殊仪器往每根光纤里照射光，然后观察所有光纤的另一侧，哪根亮了，就可确定光纤所对应的恒星了，仪器会做好记录。

SDSS2.5米望远镜在月光下的巡天观测。

SDSS的技术人员在铝板上插光纤。图片来源：http://newscenter.nmsu. edu/Articles/view/8899。

此外，图3中是SDSS在进行APOGEE（The Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment）项目的观测。APOGEE进行的是红外巡天，即光纤后面的终端是红外接收器。根据瑞利散射原理，波长长的光不易散射，所以月亮在红外波段的大气散射非常弱。当月亮不在望远镜视场内时，月光的红外部分几乎不影响目标源，所以APOGEE巡天在有月夜也可以高效运作。

从存放APOGEE仪器的屋外看SDSS2.5米望远镜所在建筑。图中部的轨道，可使轨道上面的梯形房子向后滑动，露出里面的SDSS2.5米望远镜进行观测。

APOGEE项目的目标在于探索银河系的形成和演化，所以项目所选的源大部分都是银河系以内的红巨星，约10万颗，但也有离我们相对近的M31仙女座大星系中的恒星。另外，由于银河系附近的矮星系有些正在和银河系进行融合，所以临近矮星系的恒星也会被观测。因为红外光相对可见光更易穿透尘埃，所以APOGEE项目可以探测到银河系银盘附近的恒星，那里是尘埃非常厚的地方。有趣的是，玻璃对于红外光是不透明的，故而APOGEE仪器里面的透镜是用单晶硅制成的。整个仪器是在我系的红外实验室里组装而成，然后运到APO去的。SDSS2.5米望远镜建筑的下层，即是APOGEE的存放地点。

APOGEE项目的首席科学家就是我们这门观测课的老师，史蒂夫•马耶夫斯基（Steve Majewski）教授。他在给我们介绍APOGEE的时候真是充满了兴奋与自豪，不禁再次证明了这一点：这些学术大牛们确实都非常热爱自己的老本行，哪怕突破层层困难和压力、在激烈竞争的北美学术圈拿到终身教职之后，工资才达到中产水平。在这个动辄“成功=高工资”的浮躁年代，我着实佩服那些还在一心做学术的人，也想成为那样的人。

结语：

短暂的9天转瞬即逝，尽管我们在写本篇的时候已经距离西南游过了一年，但许多场景依然记忆犹新，也让我这个从爱好者做起的门外汉，长了不少见识，让我更加坚定地认为这是最好的专业、最棒的职业。许多我们去过的地方，都是土豪们一掷千金也到不了的地方。每当看网上总有人自嘲穷苦博士在生活上如何捉襟见肘、误以为读博能找更赚钱的工作结果被坑等等，一开始我还是呵呵而过，看多了不免有些疲劳厌烦：对学术没有很大热情的人，何必给自己镀个文凭的金还整天叫苦不迭，简直浪费教育资源。人得有点理想，寻一片宁静之地，做自己真心热爱的工作，我也庆幸我在很早就找到了自己真正想做的方向，比起这些，高薪豪宅确实吸引力不大。以此段结尾，虽看似跑题，但这其实正是我写本文的目的：以一个“穷苦”博士的身份，向外界宣告天文人的生活可以很丰富。最后，由于我是做理论的，所以涉及观测相关的细节，如描述有误，还请读者耐心批评指正。