科学家手记：南极冰穹上的太赫兹实验
任远 ｜撰文
王馨心 ｜编辑
太赫兹（Terahertz, THz）是指介于微波与红外波之间的波段，一般定义为0.1 THz—10 THz的频率区间，对应波长为3毫米至30微米波段，是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域。太赫兹波段含有丰富的分子、原子和离子谱线，常被称为太赫兹指纹谱线；太赫兹波对很多非极性材料，具有极高的透过率，并且太赫兹波段的光子能量低（毫电子伏meV量级），相比X射线等高能辐射更适合开展包括人体的生物组织无损成像研究。
在天文学领域，太赫兹频段具有独特优势。首先，太赫兹频段汇聚了宇宙微波背景辐射之后接近50%的宇宙不同红移处各类天体辐射能量(相当于紫外、可见光和近红外波段辐射能量的总和)。其次，太赫兹频段最适合观测形成阶段的冷暗天体(典型温度为10 K，对应光谱辐射峰值约在1 THz频段)、早期遥远天体(其紫外与可见光辐射被星际尘埃吸收后产生更长波段的连续谱辐射，多普勒频移效应将其转移至太赫兹频段)、以及被尘埃遮掩的天体(太赫兹频段的穿透性强，该频段星际介质遮掩远弱于可见光/近红外)。另外，丰富的分子、原子和离子谱线使得太赫兹频段成为研究天体物理化学性质及动力学特征的独特频段。因此，太赫兹频段在当代天文学前沿研究中具有特别重要的作用，特别是对于理解宇宙状态和演化(包括早期宇宙演化、恒星和星系形成、行星及行星系统形成等)具有非常重要的意义[1，2]。
而在地球最南端南极洲的最高点冰穹A地区，凭借着高海拔和低环境温度特性，吸引了一批批的南极内陆科考队员开展覆盖冰川、气象和天文等学科的科考工作。中国科学院紫金山天文台等利用超宽带傅里叶光谱探测设备，实测证实了冰穹A是地球上已知最好的太赫兹/远红外天文台址[3]。
时隔三年后，2022年10月下旬，中国第39次南极考察队启航再次挺进南极洲内陆，奔赴昆仑站、泰山站和格罗夫山3个区域开展考察任务。中国极地研究中心，中国科学院紫金山天文台，上海师范大学联合组织实施了此次南极内陆太赫兹天文试观测和通信收发演示实验。由中国科学院紫金山天文台牵头，中国科学院理化所、中国电科集团54所、中国工程物理研究院和上海师范大学联合研制了一台小型高精度太赫兹探测实验系统。该系统基于载人航天工程太赫兹探测模块技术积累，由超导探测器、太赫兹本振信号源、低温制冷机以及高精度天线等自主研制的核心部件组成。本次南极内陆太赫兹实验不仅作为探路者为南极太赫兹天文观测与空地一体化通信联测等前沿领域奠定技术基础，也利用南极极端环境条件成功验证载人航天工程关键核心技术。我本人也有幸参与中国第39次南极科学考察内陆之旅，与其他十五位队友一起，展开了我国南极科考史上历时最长的76天内陆科学考察。
科考历程中的第一个拦路虎便是浪涌。本人作为北方旱鸭子，从未体验过出海航行。起航不到2个小时，胃里突然翻江倒海，刚吃完的午饭就全部吐了出来。而自己没有意识到的是，“好戏”才刚刚开始。出发当天就一连吐了六次，吃什么吐什么，喝什么吐什么，从不晕车的自己彻底被晕船击倒了。最直观的感受就是喝了半斤白酒的感觉，头是晕沉沉的，胃里是盛不了东西的，在床上浑浑噩噩地躺了三天，用队友的话说就是眼神里已经没有了光泽。
抵达中山站前的最后一段考验是西风带。借助先进的海洋预报设备与技术，雪龙号已经能够避开滔天巨浪，选择合适的气候窗口和路线以最平稳的方式渡过西风带。即便如此，三四米高的浪，甚至都不是浪，而是涌[4]，将我击得毫无还手之力。西风带过后便是极区，海面上出现的越来越多的冰山，以及偶尔传来的企鹅叫声都意味这趟旅程再无大风浪，雪龙号也向着中山站做最后的近距离冲刺了。
图1. 夕阳、冰山、飞鸟和雪龙二号。图源：任远
11月24日，我们这支由16名队员组成的内陆科考队第一批乘直升机抵达中山站。随后内陆队的大部分科考设备和生活物资，包括太赫兹探测实验系统都被装载于集装箱内，经由卡32直升机从雪龙船直接吊装至出发基地。而出发基地则位于距离中山站10公里之外的冰盖处，是日常存放和临行整备内陆科考物资的场所。冰盖上的工作不仅包括了整备所有内陆科考所需车辆、雪橇、油料等后勤物资的工作，还需要安全稳当地将所有仪器设备分门别类地装载在雪橇上，再利用捆扎带将所有货物都牢牢锁死，以防雪地行进中的颠簸损坏。冰盖上的整备工作是极其辛苦的，16名队员利用大约2周的时间，完成了本次内陆考察所携带的科研设备、生活用品、后勤备件等总计350吨物资的所有整备任务。
冰盖上除了体力消耗之外，凛冽的狂风还让我们这些科考新人感受到了南极狰狞的一面。一天夜里，在出发基地住舱内熟睡的我被呼啸的狂风吹醒，大风将住舱的舱门狠狠扒开，又不断地撞击在舱壁上，这时风雪也肆无忌惮地闯进住舱内。缓过神来的三名队友顶着狂风合力将舱门关住，又利用麻绳将门把手紧紧绑在舱内的衣钩上加以固定。没曾想仅过了几分钟，舱门又被狂风吹开，三个钢制的衣钩竟被连根拔断，可见狂风肆虐的力量。最后众人合力用两个木板挡在房间和连廊之间，再用麻绳将门把手捆在木板上，经过了这样的五花大绑之后，住舱门终于扛住了整夜的暴风雪攻击。暴风雪过后，从老队员的口里得知，这样40米每秒的飓风在南极内陆来讲算是屡见不鲜。
本次内陆考察是我国首次采用一支队伍执行昆仑站、泰山站和格罗夫山3个区域的考察任务，需完成包括业务化、科研和后勤等11项调查项目，涵盖冰川、气象、测绘、天文、空间物理等学科[5]。12月12日，在队长姚旭的一声“出发”令下，16名队员开始了千里征途。
8辆雪地车，29架雪橇，便是我们这支南极科考内陆队的全部家当。一路向南，穿越软雪带，穿越鬼见愁，穿越冰裂隙；一路向南，无惧烈日艳阳，无惧暴风雪，无惧白化天[6]。高原极寒，路面颠簸对满载货物的雪地车也是极限挑战，每次出现故障，在户外冰天雪地对车辆进行维修不仅考验机械师的技术，更是身心意志力的考验。每日的行进是枯燥的，更是艰辛的。早上7点起床，8点出发，中午无休，为车辆加油之后继续行进，雪地车每小时平均能行进约10公里，我们每天的行驶距离往往都在百公里以上。午餐都在行进中解决，出发前队员们就会用保鲜袋装好各自的午饭，包括包子、馒头、肉、蛋等等。有经验的老队员提醒大伙把餐食放在雪地车的挡风玻璃或者热风口处，能一定程度上起到保温作用。每日安营扎寨的时间往往都到了晚上9点之后，而扎营后很多队员还有沿途科考任务，包括了采冰、采雪、采气、测温、测压、测湿、安装GPS测绘设备等等。队友们也会发挥内陆队的一贯作风，众人齐心协力争取最快的速度完成任务，不影响第二天的继续行进。
图2. 白化天行进中的内陆车队。图源：任远
海拔4093米，冬季最低气温零下89度，高原极寒、干燥、大气稳定，可以说昆仑站所在的冰穹A地区是很多天文人心中的“圣地”。在经历了近两周的征途，行驶约1300公里后，第39次南极考察内陆队于2022年12月29日17时39分顺利抵达中国南极昆仑站。踩在三年无人触及松软的雪面上，脚下发出“嘎吱嘎吱”的声音，远处的AST3巡天望远镜等天文设备在烈日下傲然挺立，任由机身上凝华而“长”出厚重的雪衣。
太赫兹探测实验系统位于住舱北面的高地，电力供应则来自于营地的发电舱，一根网线连接探测系统与住舱，这样我在住舱内就可以远程控制整个系统，免去了户外操作的冰寒之苦。由于环境温度较低，首次启动需要先对系统进行预加热处理，待系统舱内温度到达零度以上便可以开机。第一次通电之后听到系统内部启动的滴滴声，看到整体探测系统状态正常、超导隧道结混频器状态正常、低温低噪声放大器状态正常、分子泵状态正常、制冷机状态正常、CCD和气象站状态正常，GPS时间同步成功等等，我才长舒一口气。
昆仑站的探测实验进展并非一帆风顺。2023年1月3日夜间，室外温度降到了零下40度，我随即降低了散热风扇转速以避免探测系统舱内温度过低。殊不知，过低的散热风扇转速设置导致探测系统舱内温度升高，进而导致了探测系统多个核心设备的通讯失联。好在探测系统在舱内温度降低并通电重启后又恢复了正常。后续太赫兹探测实验系统在冰穹A工作顺利，首次实现了我国自主研制太赫兹探测设备在南极内陆极端环境下的成功运行，完成了太赫兹天文试观测和通信收发演示实验等工作。
图3. 南极冰穹A上傲立的太赫兹探测实验系统以及远方的天文观测场地。图源：任远
驻扎昆仑，极寒缺氧导致很多队员都出现了不同程度的身体不适反应。零下40度的低温和仅有不到海平面六成的气压值导致我本人血氧饱和度长期处在80%以下。胸闷、气短、失眠和乏力是最主要的表现。而对比之下，来自极地中心、东南大学和同济大学的多名队友都需要长时间在户外工作，对身心的挑战更甚。国家天文台的冯麓博士在8米高塔上安装望远镜时，连续数个小时的迎风暴露使面部遭受冻伤。内陆队医潘医生的每日健康监测，东航王大厨的美食烹饪，考察队的医疗药品，固定翼飞行支援等后勤支撑都为队员们的身心健康提供了坚实的保障。
太赫兹探测实验系统从南京到南极长途跋涉了近1万3千公里，经历了海陆空颠簸运输，跨越了70度温差，在南极之巅顺利运行。昆仑收官之际，怀揣着满足感，我穿着女儿手绘的T恤，和另两位队友一起在昆仑站前留下了这幅有趣的照片。
图4. 昆仑站前放飞，左起：潘洪帅（青海省人民医院），田彪（中国气象科学研究院），任远（中科院紫金山天文台）。图源：顾元元
在太赫兹探测实验之外，我还配合中国气象科学研究院的田彪老师，放飞了签满寄语的GPS探空气球。探空气球的不断升高，不仅实测了冰穹A地区不同高度大气的温度、水汽、气压、风向和风速等数据，也带着自己对家人的思念眷盼飞到了2万米的高空。昆仑站的深冰芯保存了地球气候波动的独特记录，当我身处地下数十米深的冰芯室时，面对比极地地表更低的环境温度与更加不流通并掺杂了钻孔液刺激气味的空气时，对曾在此奋战的内陆科考前辈唯有敬佩之情。
泰山站位于距离距中山站520公里处，海拔2800米，是去往昆仑的中继站，也是我国第二个内陆站。此次考察队由昆仑站返回后，按计划在泰山站继续开展约15天的科考任务。
泰山站建筑主体是类灯笼状的三层建筑，大伙亲切地称之为“红灯笼”，内部包括设备层、生活层和科研层。在生活区，看到桌上放着已经硬邦邦的红苹果，以及墙上钉着3年前的春节菜单，时间似乎凝固了。临行前按照惯例，我们也将一些耐储存的冷冻食品，留在了红灯笼里，以备未来队友不时之需。泰山站一大亮点是其地下能源系统，能够将风力、光伏、燃油和电池储能结合使用，并实现供水和污水自动处理。在老队员的带领下，挖开冰雪掩埋的舱门拾级而下，我们就进入了地下能源系统舱。进入后听到仪器舱滴滴的声响，看到电池储能系统指示灯的闪烁，想到其已经是三年无人问津，真是感觉恍如隔世。
图5. 2020年泰山站年夜饭菜单。图源：任远
太赫兹探测实验系统在泰山站继续开展实验任务。基于昆仑站的经验，就在我以为泰山站实验任务将按部就班顺利完成时，突如其来的暴风雪将原计划撕得粉碎。泰山站的天气说变就变，连续三天的地吹雪掩埋了地上裸露的一切，细薄如沙的冰雪也随着狂风钻进了实验系统主机内部。
待风雪缓和了一些后，打开侧板，直流电源、控制计算机和本振信号源等模块已经覆盖了厚厚的积雪。和南京同事以及内陆队友的讨论之后，我们决定将赫兹探测实验系统整体吊装至集装箱内做进一步检查。利用四台电暖气辅以电吹风对望远镜进行加热除雪，经过48小时的加热烘烤，在目视范围内看不到任何水迹之后小心翼翼地将望远镜连接至电源。接通点源，我听到了主机启动的声音，但是大约3秒之后，“砰”的一声，那是电路板烧毁的声音。经过系统排查，在更换了直流点源、备份偏置板，检修了真空分子泵之后，太赫兹探测实验系统恢复了正常工作，也完成了在泰山站的既定任务。
图6. 风雪中伫立在泰山站前的太赫兹探测实验系统。图源：任远
最终，我们分别在昆仑站和泰山站开展了太赫兹天文试观测和通信收发演示实验，首次实现了我国自主研制太赫兹探测设备在南极内陆极端环境下的成功运行，并精确测定了冰穹A地区0.5THz观测窗口大气透过率，进一步完善了前期太赫兹天文台址测量结果。这对未来南极内陆太赫兹天文观测极具指导意义。本次实验还首次实现了南极内陆地区公里级0.5THz频段太赫兹信号收发实验，为今后在南极深入开展下一代通信技术研究和实验验证奠定了基础。
76天的内陆科考结束了，当我随队返回中山站，回到能够自由上网、打电话、洗热水澡的“文明社会”的时候，竟有些怅然若失。就像奇葩说里某位辩手曾经讲过的，那些曾经使我悲伤过的一切，也是我最热爱的一切。
谨以此文，献给为此次南极科学考察太赫兹实验辛勤奉献的同事们，也献给第三十九次南极科学考察内陆队的全体队友，以及在16名队友背后默默付出的亲人们，谢谢你们。
图7. 2023年1月15日14时，中国第39次南极科学考察内陆队全体队员于昆仑站前合影留念。图源：冯麓
作者简介：
任远，博士，中国科学院紫金山天文台研究员，主要研究方向为太赫兹高灵敏度超导接收系统及应用。
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