宇宙观测最佳点南极:极端条件构成天文乐园

近日,科学家宣称发现了有关宇宙大爆炸的决定性证据,而该发现便是来自在南极多年来搜集的宇宙微波背景辐射观测数据。在南极高原上的阿蒙森-斯科特南极站,研究团队利用一台体积不大,但是功能强大的望远镜,在严酷的环境条件下获得了宇宙学中可能是最重要的一项突破。
冬季在南极南乔治亚岛哈克冰川上拍摄的星迹图片
冬季在南极南乔治亚岛哈克冰川上拍摄的星迹图片
 
位于阿蒙森-斯科特南极站的南极望远镜一直在不间断地观测宇宙
位于阿蒙森-斯科特南极站的南极望远镜一直在不间断地观测宇宙
 
在南极望远镜右侧的建筑内,有一台BICEP2望远镜,用于搜索太空中宇宙“暴胀”的痕迹。“暴胀”即大爆炸发生后极短时间内宇宙的快速膨胀。 
 在南极望远镜右侧的建筑内,有一台BICEP2望远镜,用于搜索太空中宇宙“暴胀”的痕迹。“暴胀”即大爆炸发生后极短时间内宇宙的快速膨胀。
 
位于南极的望远镜可以减少来自地球大气层,以及星际辐射和尘埃的干扰
位于南极的望远镜可以减少来自地球大气层,以及星际辐射和尘埃的干扰

  冬季的南极远不是一个适合人类居住的地方。那里的温度可以降到零下58摄氏度,漫长的黑夜可以持续6个月时间,而空气的干燥更是你在地球其他地方无法体验到的。然而,所有这些极端条件却使南极成为天文学家的乐园,特别适合探测宇宙诞生初期时产生的极短波长的辐射。

  近日,科学家宣称发现了有关宇宙大爆炸的决定性证据,而该发现便是来自在南极多年来搜集的宇宙微波背景辐射观测数据。在南极高原上的阿蒙森-斯科特南极站,研究团队利用一台体积不大,但是功能强大的望远镜,在严酷的环境条件下获得了宇宙学中可能是最重要的一项突破。

  “南极是你在地面上最接近太空的地方,”哈佛-史密森天体物理中心的约翰·科瓦奇(John Kovac )说,“这里是地球上最干燥、最清澈的地方之一,为观测大爆炸产生的微波提供了完美条件。”约翰·科瓦奇是“宇宙银河系外偏振背景影像” (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization,BICEP)合作项目的领导者。

  在观测微弱的、亚毫米波波长的辐射中,没有水蒸气的干扰以及总体稀薄的大气都是非常重要的。如果空气不够干燥,水蒸气就会吸收这些辐射,产生令人困惑的不完整结果。“你正站在南极接近2英里(约合3.2千米)厚的冰层上;水在这里就是这样,”来自加州理工学院的BICEP团队成员杰米·博克(Jamie Bock)说,“由于海拔的原因,这里的气压也很低,这一切都大大降低了来自大气层干扰。”

  极端的严寒使冬季的风强度减弱至最低,也使望远镜的观测具有了较高的稳定性。在南极,望远镜还能够避免星际辐射和尘埃的干扰。阿蒙森-斯科特南极站的望远镜正处在被称为“南极空洞”(Southern Hole)区域内,那里的天空极为清澈,是观测太空深处和早期宇宙残留的最佳地点。

  不懈的数据搜集

  阿蒙森-斯科特站目前是一个由美国国家科学基金会资助并管理的科学前哨,夏季时站里拥有数百位科学家和支持人员,到了冬季漫长的极夜,工作人员人数则减少到不足50人,而大部分的观测都是在冬季完成的。

  望远镜坐落于地理南极点,可以很容易地操作和瞄准。在这里,恒星会出现东升西落的现象,而是基本固定不动。天文学家可以将望远镜瞄准一个点,在长达六个月的冬天中基本不用作什么变动。“在冬季,我们只需要一个人在那看着望远镜,”杰米·博克说,“一切都设置好了,可以一直不间断地搜集数据。”

  来自哈佛大学的科学家斯蒂凡·里克特(Steffan Richter)便常常陪伴着南极望远镜,他已经度过了九个漫长的南极寒冬,每天都要从营地步行近1英里(约合1.6千米)前往望远镜。“是的,非常、非常冷而且黑,”他说,“但这一项目是如此地无法抗拒。有多少人曾在上班的路上看到过天空中的极光,看到过那样壮观的极光表演?我们随时随地都能观赏。”

  作为一个在南极工作多年的科学家,斯蒂凡·里克特并不会在同一台望远镜上工作太长时间。他介绍说,在望远镜技术中也存在着类似计算机领域的“摩尔定律”。在“大爆炸—暴胀”的研究中,已经有三台各不相同、功能不断增加的望远镜投入使用,而第四台也很快就要上马了。

  “专注于科学的一个大陆”

  BICEP项目的仪器设备放在一起是基于以下目的:寻找在宇宙大爆炸所释放的引力作用下发生改变的宇宙微波背景辐射。与位于南极的大多数设备一样,BICEP望远镜的体积并不大,与大多数望远镜相当。它的采光光圈只有26厘米的直径。不过在望远镜内部具有两个镜片,可以偏转和加强信号——有点像伽利略发明的第一台望远镜。

  阿蒙森-斯科特站最大的望远镜是美国国家科学基金会的“南极望远镜”,具有一个10米的碟形天线,能够搜集早期星系团与宇宙背景微波相互作用时产生的辐射信号。

  长期以来,南极不仅是探索宇宙背景微波的窗口,也是搜集其他波长辐射的理想地点。2012年,一台能捕捉光谱中远红外信号的望远镜被运到阿蒙森-斯科特站,然后空运805公里,放在一处海拔3962米的山脊上。在这样的平台上,“高海拔南极太赫兹”(High Elevation Antarctic Terahertz , HEAT)望远镜成功地在银河系中一个巨大的、遥远的分子云中探测到了碳元素。这样的发现通常由轨道望远镜完成,但如今在地球上通过一台自动化望远镜也能做到(同时花费也更加低廉)。

  综上所述,在南极获得如此重大的发现也就丝毫不令人惊奇了。美国国家科学基金会“南极天体物理学和地球空间科学”项目的主管弗拉基米尔(Vladimir Papitashvili)说:“这是一块只专注于科学的大陆。在那里工作非常艰苦,环境条件存在着许多限制,但同时也使一些特殊的科学研究成为可能。”(任天)