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去南极 探索“冷暗”宇宙

来源:http://www.xgbkjyxgs.com 作者:上海11选5科技 人气:112 发布时间:2019-09-26
摘要:中国科学院紫金山天文台和美国哈佛-史密松天体物理中心等科学家联合研究发现,位于南极洲的冰穹A具有在地球上测量太赫兹辐射的最佳条件,而太赫兹辐射是探索“冷暗”宇宙的主

中国科学院紫金山天文台和美国哈佛-史密松天体物理中心等科学家联合研究发现,位于南极洲的冰穹A具有在地球上测量太赫兹辐射的最佳条件,而太赫兹辐射是探索“冷暗”宇宙的主要方法。这一成果在线发表于12月13日出版的学术期刊《自然-天文学》创刊号。

英国《自然·天文学》12月12日在线发表的一篇论文报告称,位于南极洲的冰穹A天文台,具有测量宇宙特高频辐射的最佳条件。该研究表明,冰穹A站点提供了一个“绝无仅有”的在地球上开展太赫兹天文学观测的机会。与空间望远镜及基于航天器的望远镜相比,冰穹A站点可以支持更大规模的观测设备,成本较低且更灵活。

项目的主要完成人、中国科学院紫金山天文台研究员史生才介绍,中国科学家正在努力,希望未来五年能够在DomeA建立一台直径为5米的太赫兹天文望远镜和一台直径为2.5米的红外光学望远镜。

在天文学领域,太赫兹辐射主要用于研究包含恒星和星系起源信息的宇宙中的冷尘埃和气体,但由于大气中的水蒸汽会吸收这种辐射,因此,地球上很少有地方适合观测太赫兹频段辐射。

探索“冷暗”宇宙的利器

此次,由中国科学院紫金山天文台和美国哈佛—史密松天体物理中心科学家组成的研究团队,连续19个月(2010年1月至2011年8月)在由中国开发的位于南极冰盖最高点的冰穹A科考基地进行了大气观测。冰穹A地区直接接受来自地球平流层大气的沉积,这里原始堆积形成的冰盖,可获取其他地区无法观测到的代表全球特征的气候环境变化信息与特殊自然现象。

早期对宇宙的认识是“热”的,但近来的研究表明,更多的秘密隐藏在“冷暗”宇宙,如宇宙中的冷尘埃和气体中。美国哈佛-史密松天体物理中心张其洲博士说:“比如它们携带着恒星和星系形成最初阶段的信息。”

在测量中,研究人员采用了远程控制的专用傅立叶变换光谱仪,该光谱仪对太赫兹辐射尤其敏感。研究团队发现,冰穹A站点地区的天空保持极端干燥状态的时间,远比其他太赫兹天文学观测点要长,使之成为全年观测太赫兹频段辐射的最佳地点,无异于一个“天然实验室”。此外,由于研究人员在新的极端低温下测量水蒸汽吸收,因此对大气热辐射模型提供了重要的约束,而大气热辐射是地球气候调节的关键组成部分。

测量宇宙特高频(人们常用手机频率的1000倍以上)辐射,也就是太赫兹辐射,是研究“冷暗”宇宙的主要方法。但因为地球受到大气,特别是其中水蒸气的包裹,太赫兹辐射无法穿透重重保护,科学家很难在地球上开展太赫兹辐射的观测。张其洲说:“对天文观测而言,这是一个比较难以在地面开展观测的波段。之前欧洲太空局与美国国家航空航天局曾经联合发射直径为3.8米的Herschel太空太赫兹望远镜,但目前已经停止工作了。”张其洲介绍,这台太赫兹望远镜曾立下赫赫战功,“比如发现彗星上冰的成分与地球上海洋水的成分非常相似,这或许能够解释地球水的来源”。

目前,中国并没有太赫兹辐射专用的天文望远镜,冰穹A“窗口”的打开,将为今后在南极进行更大规模的观测和建设提供助力。

DomeA或将成为太赫兹天文观测的“圣地”

史生才说,与太空望远镜相比,地面太赫兹望远镜可以做得更大、更灵活,也更便宜。“经过几年的努力,我们终于发现DomeA提供了一个绝无仅有的、在地球上开展太赫兹天文学观测的机会。”

2010年1月到2011年8月,史生才团队在DomeA连续进行了19个月的大气观测。史生才说:“我们并不是常驻在南极,而是采用远程控制的方法,用傅立叶变换光谱仪进行自动观测。这种光谱仪对太赫兹辐射尤其敏感。”

经过对海量数据的分析,研究团队找出了适合太赫兹观测的窗口时间。“我们发现DomeA地区的天空保持极端干燥状态的时间比其他太赫兹天文学观测点长,使之成为全年观测太赫兹频段辐射的最佳地点。”史生才说,“我们都知道,智利、美国的夏威夷都是地球上进行天文观测的‘圣地’,DomeA很可能成为太赫兹天文观测的‘圣地’。”

同时,这一研究也在影响全球气候变化的大气辐射特性方面取得了新进展。“我们取得的成果不止于此,我们在南极极端低温下对水蒸气吸收谱进行了测量,这些数据为大气热辐射模型提供了新的约束条件,对于建立更精确的大气辐射模型、进而研究全球气候变化有非常重要的意义。”

史生才表示,接下来将继续对数据进行分析,“我们相信将有更多新发现”。

(原载于《光明日报》 2016-12-1406版)

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