解锁“兴隆站” | 赛先生天文

2022-11-01 10:11

导读

作为亚洲大陆最大规模的光学天文观测台站，兴隆观测基地从1958年筹备至1968年建成，历经十载。而在随后“服役”的五十余年间，TA数次更新扩建，硕果累累。本期赛先生天文，一份来自兴隆的说明书将为您回溯兴隆观测基地的历程，并深度解读她的过去、现在，以及美好的未来。

撰文 | 范舟、葛亮、张君波、梁丽贤等（国家天文台兴隆观测基地）

责编 | 韩越扬、吕浩然

中国科学院国家天文台兴隆观测基地（简称“兴隆站”）位于河北省兴隆县境内的燕山主峰南麓，平均海拔约900米，地理坐标为东经117°34'38"，北纬40°23'45"。现隶属于中国科学院国家天文台和中国科学院光学天文重点实验室。从1968年建站至今，经过50多年的发展，兴隆站已经成为亚洲大陆规模最大的光学天文观测基地。每年平均有240-260个可观测夜（光谱），其中包含100-120个全晴观测夜。台站距离北京约150公里，交通便利，生活设施完善。

图1：兴隆站全景图，图片来源：陈颖为摄

五十多年来，兴隆站建站从一个只有三台专业天文望远镜的野外台站，发展成为拥有10余台天文专业望远镜的亚洲大陆规模最大的光学天文观测站，它承载着新中国实测天文工作者的梦想与追求，凝结着全体建设者的心血与智慧。

图2：兴隆站手绘地形图，图片来源：徐帆绘制

八年选址，标定兴隆

1958年2月，国务院批准成立“中国科学院北京天文台筹备处” ，程茂兰任主任，拟在北京附近建立一个中等规模的现代化天文台。实际上这项光荣而艰巨的任务，从1957年7月份，在程茂兰、肖光甲、洪斯溢等前辈的带领下，就已经开始了。

兴隆站的选址共经历了三个重要阶段：从1957年7月到1960年8月，主要候选地集中在北京西部地区，包括仙人洞、南坨和妙峰山；从1960年11月到1961年4月，主要在太行山脉东侧，包括保定、石家庄、邢台、邯郸等；从1963年4月开始第三阶段，重点放在了承德，包括滦平和兴隆连营寨等。

最终，经过8年时间，筹备处完成了选址工作，将这座当时筹备建造的现代化天文台落地在了河北省兴隆县的雾灵山南麓。

图3：北京天文台（国家天文台总部前身）首任台长程茂兰先生选址期间在连营寨进行踏勘

图4：建站初期的兴隆观测基地

如今的兴隆站

1. 兴隆观测站的主要观测设备

落成于1989年的2.16米望远镜是我国自主研制的第一台大型光学天文精密仪器，曾荣获国家科技进步一等奖。在建成后的近20年间，它一直是我国乃至远东地区最大口径的光学天文望远镜，也是我国开放程度最高的通用型望远镜。2.16米望远镜一直保持着高水平科研成果的产出，包括国家自然科学二等奖一项，世界顶级科学期刊《自然》论文多篇，其中1994年发表的基于216观测的sn1993j的工作[3]，是中国天文界最早的《自然》论文。

图5：兴隆站2.16米望远镜，图片来源：陈颖为摄

郭守敬望远镜（LAMOST）是中国第一个天文领域的国家重大科学工程项目，于2008年正式落成并投入观测，望远镜结构十分独特。2021年以前一直是国际上光谱获取率最高的望远镜（目前位居第二），一次观测可以同时获得4000颗天体的光谱，目前已经发布了世界上最大的光谱数据库。与第二个天文领域国家重大科学工程项目FAST（又称天眼，位于贵州平塘）形成了“南有平塘FAST（天眼），北有兴隆LAMOST（郭守敬望远镜）”的中国天文布局。

图6：郭守敬望远镜（LAMOST），图片来源：陈颖为摄

此外，兴隆观测站还拥有1.26米红外望远镜、60/90厘米施密特望远镜、85厘米望远镜、80厘米望远镜、60厘米望远镜等10余台专业天文望远镜，并拥有公共天文台及多台科普望远镜。

2. 天文观测项目

基于兴隆站的观测设备，来自世界各地的天文学家开展了太阳系天体、太阳系外行星、双星、星云、白矮星、黑洞、超新星、伽玛暴、河外星系、活动星系核等多方面的前沿科学研究。其中包括：

※ 传统天文观测申请项目

兴隆站的2.16米望远镜等多台主要天文设备均通过开放观测时间申请和支持开放课题的形式向天文界开放。研究方向因观测申请者的研究兴趣而定，涵盖了从太阳系内天体到恒星、银河系、河外星系、星系团，以及距离极其遥远的天体（如类星体）等宇宙的各个尺度的天体物理学和天体力学/天体测量学课题。

另外，在专家评审的基础上，兴隆站还确定了一些重点课题，包括：活动星系核、星系的恒星形成、天体的元素丰度和演化、超新星观测研究、星震观测研究、系外行星的观测和研究等。此外，兴隆站还充分发挥地理优势，积极参与国际天文界的联合天文观测研究，是北半球主要地面光学望远镜联合观测组织的重要成员。每年有90余人次的天文学家来到兴隆观测基地或通过网络远程从事观测研究，天文学家使用站内设备平均每年发表论文40-50篇。

兴隆站的望远镜除了每年夏季（夜晚时间最短、天气潮湿多雨）近两个月的检修外，每个天气条件允许的夜晚都在进行天文观测，甚至包括春节。

※ 机会源（Target of Object, ToO）观测项目

以引力波光学对应体、超新星、伽玛暴、黑洞潮汐瓦解事件等变源和暂现源为研究对象的时域天文学，是天文学的一个新的未来方向。变源和暂现源等ToO的观测研究的两个关键点在于快速的广域搜索发现和精细后随观测。精细后随观测离不开大口径望远镜，并要求尽可能快的观测响应和数据处理分析。兴隆站2.16米望远镜，目前开放ToO申请观测，包括零级、一级和二级ToO申请，能够实现对ToO的快速响应，包括多色测光和光谱观测。

※ 系外行星监测项目

1995年，米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）发现了一颗围绕类太阳恒星运行的太阳系外行星[4]，并于2019年获得了诺贝尔物理学奖，这将系外行星相关领域再度推向了大众的视野。

太阳系外行星，尤其是类地行星的证认和性质研究近年来已成为天文科学前沿热点之一，2009年发射的Kepler望远镜，就将人类发现系外行星的数量提高了一个数量级。2018年，TESS望远镜作为Kepler的继任者升空，由于其目标行星较Kepler更近也更亮，因此给地基后随观测带来了新的契机。

兴隆站也积极把握这次机会，参与TESS国际后随观测团队；对2.16米望远镜的HRS+天文光梳进行多次升级改造，使其具备高精度视向速度测量本领，同时参与新的天文光梳研发项目，向探测类地系外行星这样的亚米级精度目标努力；积极参与GTC高色散光谱仪项目、地球2.0项目等。

3. 技术研发项目和测试平台

兴隆站地拥有数量众多、口径不等、年龄各异的天文望远镜，这些望远镜分布在基地的不同位置，初期以分散的形式进行观测。这种分散模式的观测难以统一管理和调度，也带来了运行人力成本高等问题。

为提高兴隆站望远镜的观测质量和效率、降低仪器设备故障率，以及控制运行成本，以望远镜集中控制应用需求为牵引，开展针对天文观测要求、望远镜系统硬件设备、软件系统和常见故障的调研，实施必要的硬软件升级改造，建设集中控制的望远镜观测系统。目前已经将1.26米、85厘米、80厘米、60厘米的控制系统集中迁移至中心楼观测大厅（后迁移至104房间）。2.16米望远镜配备了BFOSC、OMR、HRS等多个终端，控制系统较为复杂，目前仍然在圆顶楼内单独观测。

图7：集中控制大厅观测现场图

为了提高2.16米望远镜的自动化程度，尤其是对ToO观测响应的速度，技术人员对软硬件系统进行了多次升级。在硬件上，全面接管了BFOSC终端的底层控制接口，软件上增加目标自动证认、狭缝自动移入、FITS头自动写入等功能。与多波段时域天文研究团组合作，建立了由GWAC实时发现M型矮星耀发，触发2.16米望远镜快速后随光谱观测的联合观测系统。2021年至2022年观测季，共开展了9次光谱快速后随观测，光谱后随观测平均延迟15分钟，最短延迟7分钟，光谱后随观测时长通常不超过2小时。

4. 科研观测之外

除却天文观测，兴隆站一直也在推动高校天文科研和教学发展，通过联合改造天文望远镜设备、联合培养研究生和接待高校学生实习等方式积极推进与高校的合作。同时，积极推进“科教结合”和全民科学普及工作，并开展了丰富多彩的公众开放活动。不仅如此，兴隆站还与清华大学、北京师范大学、广州大学等联合共建了多台望远镜。

兴隆观测基地作为中国科学院大学、北京大学、清华大学、北京师范大学、南开大学、山东大学、河北师范大学等几十所高校的学生实习基地，每年接待高校学生实习1000余人次，并联合培养研究生。

为了更好地服务站内望远镜用户，兴隆站自2013年开始举办“兴隆观测基地实测天体物理培训班”，并于2016年入选中科院人事局精品课程。之后在中科院人事局及中科院国家天文台光学重点实验室的大力支持下，培训班至今已成功举办13期，共计有来自国内外科研机构和高等院校的550余名学员参加了培训。2018年，兴隆站的老师们还受邀到泰国参加泰国国家天文研究所组织的国际数据处理培训班担任指导老师，走出国门，扩大了基地在天文观测和数据处理方面的影响力。

图8：兴隆观测基地实测天体物理培训班，来自泰国SUT的Nuanwan Sanguansak教授、加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT）的科学主管Daniel Devost教授等也参与其中

图9：兴隆观测基地的老师在泰国国家天文研究所（NARIT）举办的培训班中教授学员数据处理及天文观测

兴隆站不仅注重望远镜用户及潜在用户的培训，也在不断提高站内员工的整体天文素养，2022年启动了“面向前沿光学天文知识系列讲座”培训活动，培训内容既包含结合前沿的基础天文内容，也包括目前最领先的望远镜技术，主要面向站内员工以及对培训内容感兴趣的兴隆站望远镜用户。

图10：2022年举办的“面向前沿光学天文知识系列讲座”中的部分海报

图11：国科大学生利用公共天文台日珥镜观测太阳光球层黑子及色球层日珥，图片来源：张淼摄

图12：北师大物理系学生在《光学望远镜技术基础》课程上安装望远镜转台，图片来源：葛亮摄

此外，近年来兴隆站还开发了远程观测教学实践平台，对于高校的学生，可以采取远程观测的方式进行观测和学习。

图13：远程观测控制界面

图14：学生们在指导教师的帮助下使用远程台拍摄的木星和木星卫星

图15：学生们使用远程台观测得到的木星和土星图片

未来规划

目前，国家天文台兴隆观测基地天文科学工程项目正在加快实施中，项目用地55亩，正在办理项目立项、工程规划许可、施工许可等手续，预计明年开工建设。而以兴隆站为基础的兴隆观测基地正逐渐成为集天文观测研究基地、天文技术研发基地和天文科普教育基地为一体的高水平科技研发和人才培养平台。

※ 时域天文研究基地

近年来，兴隆站各方面的建设都在不断提升，并将时域天文技术作为未来主要的发展方向，重点研究大视场巡天、光谱望远镜快速后随观测等技术。司天工程由国家天文台刘继峰研究员等人提出，利用上百台1米级望远镜实现大天区面积（一次性覆盖1万平方度）、高采样频率（30分钟），实现全天区“凝视”监测的时域天文观测新模式，揭示宇宙中各类天体的变化并发现和探索各类新天体、新现象。

筹建中的司天工程也在兴隆站部署了迷你司天望远镜阵作为预研，其原型机也将落户兴隆站。而兴隆站作为司天工程的核心工作组，将负责司天原型望远镜建设、测试和运行工作。目前已经建设完成了3台30厘米大视场望远镜组成的迷你司天阵。

图16：迷你司天望远镜阵，图片来源：吴宏摄

此外，兴隆站还将在2.16米望远镜ToO快速后随响应系统的基础上，完成兴隆时域天文观测网络建设，牵头组织南山、慕士塔格等台站组成ToO地基观测网络，服务于未来CSST、EP、SVOM等时域天文卫星的后随观测。

※ 百镜项目和科普活动

近期，兴隆站还在筹划了“百镜项目”，将在兴隆站的东区建设100台30厘米口径的望远镜，用于科研和科普教学。在科研上，其亮端的观测将用于时域观测，与司天项目形成完美的匹配，在观测天体的亮度范围进行衔接。项目预期在明年动工，1-2年内建成。此外，兴隆站还将联合国内高校和其他科研机构建成“北斗七星阵”望远镜阵，用于科研和教学。

图17：百镜项目的望远镜阵列模拟图

图18：北斗七星望远镜阵列模拟图

※ 天文科学教育

目前，我国已有二十余所高校建设有天文系或天文专业，诸多中小学开设有天文实践课程。为推动天文科学教育事业，促进交流，在教育部高等学校天文学类专业教学指导委员会、中国青少年科技辅导员协会、中国天文学会教育工作委员会、中国天文学会普及工作委员会的联合推动下，今年8月份在贵州天眼FAST召开了“第一届天文科学教育研讨会”。兴隆站未来将在天文教学基地、天文科创课题等方面开展相关的天文教学标准化工作，从而推动天文教学更好的走进全国的中小学校。

此外，正在建设中的中国科学院大学天文与空间科学学院实践中心将大幅提升兴隆站的实习实践接待能力，与此同时，兴隆站也与多方合作，为国内多台大型光学望远镜提供人才与技术积累。未来，兴隆站将作为一个重要的观测平台、新技术研发和测试平台，天文教学和实践平台继续为国内外的天文学家和热爱天文的公众、学生服务。

参考文献

[1] 《中国科学院国家天文台兴隆站史料》，中国科学院国家天文台兴隆站编，中国科学技术出版社，编委会：尹济生，蓝松竹等

[2] 《中国科学院北京天文台台史（1958-2001）》，中国科学院国家天文台主编，中国科学技术出版社，编写组：洪斯溢，沈海璋，柯大荣等

[3] Wang, Lifan & Hu, Jingyao, Blue-shifted oxygen lines and the clumpy ejecta of supernova 1993J, 1994, Nature, 369, 380

[4] Mayor, Michel & Queloz, Didier, A Jupiter-mass companion to a solar-type star, 1995, Nature, 378, 355

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来源: qq

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