基特峰國立天文臺(tái)觀測手記 （一）
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寫在前面
在亞利桑那大學(xué)的第一個(gè)月，我便來到基特峰國立天文臺(tái)（Kitt Peak National Observatory）的Bok 2.3m望遠(yuǎn)鏡上觀測了兩周。這篇文章是兩篇觀測手記中的第一篇，主要講的是在山上做的正經(jīng)的天文觀測；第二篇隨后也會(huì)寫好，講的是不算正經(jīng)的業(yè)余天文觀測，和其他的一些參觀雜記。
初
識(shí)基特峰是在2012年。當(dāng)時(shí)讀《天文愛好者》雜志，有一期刊登了一篇在基特峰的觀測散記，雖說文章內(nèi)容已經(jīng)忘了個(gè)干凈，但當(dāng)時(shí)的我處在一個(gè)對(duì)天文最為感興趣的年紀(jì)，所以這個(gè)地名也算是記了下來（也是奇怪，我一直對(duì)記地名有著特殊的興趣）。
也許是有關(guān)Kitt Peak最有名的照片之一，閃電下的望遠(yuǎn)鏡圓頂。圖片來源：NOAO
到了2016年春天，該是天文系的本科生申請(qǐng)公派出國交換的季節(jié)了，我作為績點(diǎn)倒數(shù)第二僥幸申請(qǐng)到了去亞利桑那大學(xué)實(shí)習(xí)四個(gè)月的機(jī)會(huì)，得知自己有理論上的機(jī)會(huì)來基特峰觀測，內(nèi)心甚是激動(dòng)。恰巧后續(xù)北京-亞利桑那巡天項(xiàng)目（Beijing-Arizona Sky Survey, BASS）正好需要去Bok 2.3m望遠(yuǎn)鏡上觀測的人手，我就報(bào)了名。還好，雖然中有波折，也算是如期抵達(dá)了圖森（Tucson）市，按時(shí)報(bào)了到，最后也完整參與了2017年4月的BASS run。
2017年4月BASS的觀測時(shí)間表
從圖森市向西南驅(qū)車一小時(shí)左右，便可以抵達(dá)基特峰，沿途上86號(hào)公路頗為筆直，道路兩旁能看到各式各樣的沙漠植物，比如各種體格的仙人掌。熾熱的陽光將路面烤的滾燙，一路上都可以看到遠(yuǎn)方鏡面一樣的蜃景。車行一半，便可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)地眺見山頭上的一座銀白色的圓頂，這便應(yīng)當(dāng)是位于山頭最高處的Mayall 4m望遠(yuǎn)鏡。到了山腳，沿著盤山公路爬升三千余英尺，就來到了海拔2097米的基特峰上。
車已經(jīng)駛?cè)肓嘶胤宓纳侥_，由于射電天文觀測的需要，這里沒有了手機(jī)信號(hào)（No Service）。仔細(xì)看圖的右上角山頂，幾個(gè)小白點(diǎn)就是望遠(yuǎn)鏡圓頂，其中最大的就是4m 的Mayall望遠(yuǎn)鏡。
就海拔而論，基特峰不算高，就個(gè)人上山經(jīng)歷而言，不如京郊的大海陀與霧靈，但山不在高，各項(xiàng)出眾的條件使得這里成為了優(yōu)良的天文臺(tái)址。在二戰(zhàn)之后，美國人打算興建新的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址，在諸地考察之后，相中了這里的寧靜而干燥的空氣。當(dāng)時(shí)的不遠(yuǎn)處圖森大概只能算一個(gè)鎮(zhèn)子，光污染并不嚴(yán)重的同時(shí)還能提供充足的物資供給。而且在那個(gè)年代，亞利桑那大學(xué)天文系已經(jīng)搞得有聲有色，人才團(tuán)隊(duì)也有著堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。于是，基特峰國立天文臺(tái)就這樣在這個(gè)印第安人的地盤上建立起來，美國國家光學(xué)天文臺(tái)（National Optical Astronomy Observatory, NOAO）的總部也就被設(shè)立在了亞利桑那大學(xué)天文系的旁邊。后來，諸多單位在山上建設(shè)了各種尺寸的望遠(yuǎn)鏡，既有像Mayall 4m這樣的通用型反射鏡，也有像McMath-Pierce 2m這樣的世界上最大的太陽望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)然，還有游客中心的0.4m的業(yè)余級(jí)小鏡子。時(shí)至今日，山頭上應(yīng)該有26個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡，從光學(xué)到射電，從白天到黑夜，周而復(fù)始地收集來自天空的各個(gè)角落的信息。
在WIYN 3.5m望遠(yuǎn)鏡附近的觀景臺(tái)上，用這個(gè)最經(jīng)典的機(jī)位，眺望漫山遍野的望遠(yuǎn)鏡圓頂。
SARA 0.9米望遠(yuǎn)鏡圓頂?shù)拈T口擺了一只火烈鳥的模型，配合上粉色的欄桿，顯得十分少女心。
日落基特峰，拍攝于Bok望遠(yuǎn)鏡朝南的的平臺(tái)。
我們的觀測團(tuán)隊(duì)所使用的Bok望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該是這山頭上第四大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，由亞利桑那大學(xué)史都華天文臺(tái)（Steward Observatory）運(yùn)營，直徑90英寸（2.3m），以史都華已故臺(tái)長Bart Bok命名。項(xiàng)目所用的CCD相機(jī)由于位于望遠(yuǎn)鏡主焦點(diǎn)（prime focus）上，所以叫做90prime。BASS是一個(gè)在北銀冠天區(qū)內(nèi)進(jìn)行g(shù)和r波段巡天的項(xiàng)目——一道銀河把整個(gè)天空劃為兩部分，所謂北銀冠，說的就是北邊的這部分天空，由于在北邊，適合在北半球觀測。在銀冠的方向上，來自銀河系的消光更小，所以相對(duì)更容易看到銀河系之外的天體。至于g和r波段，可以大致認(rèn)為g是green，r是red——通過記錄下天體在不同的顏色范圍上的亮度，可以幫助天文學(xué)家分析天體的物理性質(zhì)。根據(jù)項(xiàng)目的科學(xué)設(shè)計(jì)，觀測團(tuán)隊(duì)將通過疊加三次曝光的圖像，使得在5000平方度的天區(qū)內(nèi)，g波段極限星等達(dá)到24等，r波段達(dá)到23.4等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)北銀冠河外天體的深度搜尋。
站在Spacewatch 1.8m望遠(yuǎn)鏡旁邊的平臺(tái)上看Bok（前）和Mayall（后）。說實(shí)話，Mayall這個(gè)圓頂大的有點(diǎn)浪費(fèi)，不過這畢竟是50年前的設(shè)計(jì)了，現(xiàn)在的天文圓頂已經(jīng)變得緊湊了不少。
這次四月的觀測項(xiàng)目一共為期兩周，除了中間有幾天遭遇了陰天和大風(fēng)無法正常進(jìn)行觀測，其余時(shí)間都算是晴朗而由穩(wěn)定的好天氣。每天下午六點(diǎn)鐘，趁著太陽還沒有落下，我們就到圓頂做各式各樣的觀測準(zhǔn)備——灌注液氮、拍攝用于校準(zhǔn)圖像的偏置場（Bias）、圓頂平場（DomeFlat）影像，等待昏影結(jié)束，開始每一日的觀測。實(shí)際上，在望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行拍攝的過程中，需要觀測者操作的并不多——現(xiàn)成的程序已經(jīng)生成好了操控望遠(yuǎn)鏡的腳本，我們只需要監(jiān)視屏幕上的風(fēng)速濕度、望遠(yuǎn)鏡指向、圖像質(zhì)量等幾個(gè)數(shù)值，偶爾微調(diào)一下望遠(yuǎn)鏡位置和曝光時(shí)間就可以。在大多數(shù)穩(wěn)定的晴夜里，觀測不算辛苦。
為主焦點(diǎn)上CCD相機(jī)的杜瓦瓶加裝液氮。通過加裝液氮，可以使得相機(jī)冷卻，減少半導(dǎo)體中由于熱所產(chǎn)生的自由電子（暗流）。
灌注液氮當(dāng)中的望遠(yuǎn)鏡全景
巡天觀測比較有意思的是，望遠(yuǎn)鏡時(shí)常能拍到一些有趣的目標(biāo)，比如梅表中的星系，這些天體在大望遠(yuǎn)鏡的視野中會(huì)顯得異常碩大明亮；比如一些成團(tuán)成簇的小星系，很明顯地能看出它們應(yīng)該屬于一個(gè)遙遠(yuǎn)的集團(tuán)當(dāng)中；比如偶然拍到的亮星，觀測當(dāng)中有兩次望遠(yuǎn)鏡掃過了天璣（北斗七星當(dāng)中的第三顆），在深度的曝光下，恒星的光暈可以覆蓋將近百萬像素的范圍。最奇怪的一次我們偶然拍到了一顆流星，從東南方向穿過CCD視場中心。經(jīng)過簡單的計(jì)算，流星的方向與天琴座流星雨的輻射點(diǎn)吻合，套用這個(gè)流星群成員的典型速度，大概是一顆0.6等的流星（可能誤差不?。膊恢琅牡竭@樣一顆明亮的流星，到底是幸運(yùn)呢，還是倒霉。
巡天觀測時(shí)，偶然拍到的M108——著名的沖浪板星系。這張圖像的曝光只有約一分鐘，沒有做任何改正。可以看到星系中間濃密的塵埃結(jié)構(gòu)，和明亮的核球。黑色的暗條算是CCD上的一條壞線。展示軟件：DS9。
一張巡天觀測的影像，拍攝于約化儒略日57866日（2017年4月23日），斜著的粗線是一顆天琴座流星雨的群內(nèi)流星，而細(xì)線則是一顆人造衛(wèi)星。圖像被分成了四塊，是因?yàn)檎麄€(gè)CCD是由四塊分開的CCD馬賽克拼接而成，相鄰處會(huì)有接縫。
基特峰這個(gè)臺(tái)址在現(xiàn)在的天文界已經(jīng)算不上是最頂級(jí)的了。來自圖森和鳳凰城（Phoenix）方向的光污染與日俱增，雖聽說當(dāng)?shù)赜蟹ò缚刂?，但是文明的發(fā)展總是逐漸壓縮著黑夜存在的空間，50年以來，環(huán)地平方向的光害增強(qiáng)了不少，相關(guān)的圖像記錄在游客中心的展示廳中有所顯示。隨著全世界天文學(xué)家選址工作的不斷進(jìn)展，目前國際上的三大頂級(jí)臺(tái)址變成了夏威夷莫納克亞、西班牙加納利群島和智利的阿塔卡瑪，基特峰的重要性可以說已逐漸降低。雖然我們遇到了視寧度1.0"的良好測光夜，但是比起最頂級(jí)的臺(tái)址已經(jīng)有了差距（作為參考，國家天文臺(tái)興隆觀測站典型的視寧度應(yīng)該在2.0"左右；視寧度越小，星點(diǎn)在底片上的尺度越小，越容易拍攝到暗弱目標(biāo)）。不過，相對(duì)于目前中國的幾個(gè)光學(xué)天文臺(tái)而言，這里還是相當(dāng)不錯(cuò)的——無論是夜天光亮度、視寧度還是晴夜率，這里都更適合天文觀測一些，讓人不由得感嘆，美國這塊地方當(dāng)真是得天獨(dú)厚。
在一個(gè)大風(fēng)夜，由于Seeing罕見地很差（差不多4"；當(dāng)天焦點(diǎn)狀況也不好），正常的科學(xué)性的觀測無法按要求進(jìn)行，我就借用望遠(yuǎn)鏡拍攝了40秒r波段的的M104，圖像只改了暗場和平場，沒有做進(jìn)一步的處理。
很遺憾，由于天氣一直還成，我也基本沒去過其他的望遠(yuǎn)鏡圓頂里參觀，不過這里的Outreach做的還是讓人佩服的。在這里，“國立”的名號(hào)絲毫不會(huì)讓人感受到威嚴(yán)——在白天，老百姓可以暢通無阻地自駕上山，到游客中心里打一杯咖啡，在展廳里摸一摸當(dāng)時(shí)Mayall望遠(yuǎn)鏡制作時(shí)留下的鏡胚，跟著導(dǎo)游到太陽塔里面參觀一下這個(gè)巧奪天工的光學(xué)設(shè)計(jì)，最后買上幾張明信片或者紀(jì)念衫送給友人。當(dāng)然，如果當(dāng)真愛好狂熱，也可以留在山上觀測（stargazing），似乎只需要交上一筆不貴的管理費(fèi)。游客中心的展館雖然不大，但是把KPNO的歷史和他們主要的幾臺(tái)鏡子的原理構(gòu)造講的相當(dāng)清楚，讓人感覺是下了不少功夫的。讓納稅人知道他們的錢做了多么偉大的事情，在這一點(diǎn)上，KPNO做的很不錯(cuò)。
展廳里卡爾·薩根的名言，每每看到這些句子都會(huì)很感動(dòng)
——我們都是星塵。
基特峰上的“租客”清單
隨著下弦月變成了新月，14天的觀測夜很快就結(jié)束了。這算是我第一次在天文臺(tái)做科學(xué)的測光觀測，我不確定以后是否還會(huì)有親手給Bok望遠(yuǎn)鏡灌注液氮的機(jī)會(huì)，但希望這次告別不要太久。Bok，后會(huì)有期！
2017年5月1號(hào) 于圖森
作者：孫鳳梧（北大天文系）
編排：孫鳳梧
責(zé)任編輯：解仁江
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天文研究在路上
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