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南极昆仑站的满天星辰

2020-08-28

南极昆仑站的满天星辰

图1. 南极中山站地区的星空(图源:李航;转载自APOD)

上图是南极中山站越冬队员拍摄并合成的银河和极光。可惜的是,由于昆仑站地理位置特殊,条件非常艰苦,目前还无法越冬。南极内陆科考队员们只能在夏季极昼的时间前往昆仑站进行作业,因此无法人工拍摄到昆仑站的夜空。

但是不用担心,我们有一位特别的小帮手,即使在南极冬天的极夜里也能拍摄到星空。这就是我们今天的主角,南极昆仑云量极光监测仪KLCAM(KunLun Cloud and Aurora Monitor)。

南极昆仑站的满天星辰

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图2. 上:KLCAM在实验室的照片;下:KLCAM拍摄到的昆仑站全天夜星空,银河和大小麦哲伦星云清晰可见,右侧地平线上绿色和红色的是极光(图源:杨栩)

KLCAM是全天相机,由国家天文台研制,全身被包裹在金属的底座和半圆形球壳内,造型像一个小的望远镜圆顶。在它的内部集成了一台ARM架构计算机、一台单反相机、以及一个鱼眼镜头。研究者们为KLCAM打造了独特而复杂的保温设计,使它可以在昆仑站零下80度的低温下保证正常工作。KLCAM于2017年1月我国第33次南极科考期间安装在昆仑站之后,一直稳定的自动工作,经历了完整的南极严冬,直到2018年5月断电为止,兢兢业业地在岗位上守护了17个月份。

南极昆仑站的满天星辰

图3. KLCAM于南极极夜拍摄到的夜星空动画(图源:杨栩)

通过鱼眼镜头,KLCAM可以拍摄到地平线之上360度全天的照片,将昆仑站的夜星空尽收眼底。有别于地面上其他天文台站,南极昆仑站在南纬80度内,比较接近地球自转轴(南极点)。因此在地球自转的时候,头顶能观测到的星空看上去就像是在“原地打转”。而也正因为高纬度,昆仑站在南极的冬季有漫长的极夜,可以让望远镜有超长的连续黑夜时间对星空进行不间断的观测。

南极昆仑站的满天星辰

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图4. 上:极昼时KLCAM拍摄到的天空,太阳在地平线上绕转,底部可以看到AST3望远镜的运动;下:KLCAM拍摄到的南极天空昼夜交替,太阳在地平线上下来回交替(图源:杨栩)

然而光有夜间时间是不够的,天文学家还需要考虑到夜间的“可用时间”,即晴夜时间。细心的读者可能已经发现了,在KLCAM拍摄到的图像中,可以看到有云的移动和极光的穿插。这就是KLCAM要研究的内容。正如它的名字“昆仑云量极光监测仪”一样,KLCAM通过监测昆仑站的云量和极光来判断昆仑站夜间的可用观测时间。

由于在天文观测中,极光可以通过用特殊设计的滤光片来进行过滤,减少或消除其影响,因此对晴夜时间的主要判断标准即是云量。目前,通过2017年KLCAM的夜间数据,我们先用人眼识别的半定量办法,统计获得了昆仑站的晴夜时间超过了83%,优于地面上的大多数台站。

不过,以上结果仅是一年夜间观测的结果。天文台址的测量需要长期稳定的监测来得到可靠的结论。因此,我们也派出了第二和第三台KLCAM,它们已随我国第35次南极科考队在2019年1月安装在了昆仑站,继续进行着对昆仑站天空的监测。除了进行长期的监测之外,天文学家们也可以根据KLCAM拍摄到的实时画面,来确定昆仑站当前的天气情况,为望远镜提供观测帮助。

南极昆仑站的满天星辰

图5. 昆仑站现场的两台KLCAM(图源:商朝晖)

在今后的日子里,KLCAM将会继续为大家守望着昆仑站的天空,不仅带给我们璀璨的星空图片,也能继续做天文研究的好帮手。

作者简介:杨栩,中国科学院国家天文台天体物理学博士研究生,主要从事时域天文、南极天文等领域的研究。

责任编辑:郭旭晖 龚丽华
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