基特峰國立天文臺觀(guān)測手記 （一）
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寫(xiě)在前面
在亞利桑那大學(xué)的第一個(gè)月，我便來(lái)到基特峰國立天文臺（Kitt Peak National Observatory）的Bok 2.3m望遠鏡上觀(guān)測了兩周。這篇文章是兩篇觀(guān)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(guān)測；第二篇隨后也會(huì )寫(xiě)好，講的是不算正經(jīng)的業(yè)余天文觀(guān)測，和其他的一些參觀(guān)雜記。
初
識基特峰是在2012年。當時(shí)讀《天文愛(ài)好者》雜志，有一期刊登了一篇在基特峰的觀(guān)測散記，雖說(shuō)文章內容已經(jīng)忘了個(gè)干凈，但當時(shí)的我處在一個(gè)對天文最為感興趣的年紀，所以這個(gè)地名也算是記了下來(lái)（也是奇怪，我一直對記地名有著(zhù)特殊的興趣）。
也許是有關(guān)Kitt Peak最有名的照片之一，閃電下的望遠鏡圓頂。圖片來(lái)源：NOAO
到了2016年春天，該是天文系的本科生申請公派出國交換的季節了，我作為績(jì)點(diǎn)倒數第二僥幸申請到了去亞利桑那大學(xué)實(shí)習四個(gè)月的機會(huì )，得知自己有理論上的機會(huì )來(lái)基特峰觀(guān)測，內心甚是激動(dòng)。恰巧后續北京-亞利桑那巡天項目（Beijing-Arizona Sky Survey, BASS）正好需要去Bok 2.3m望遠鏡上觀(guān)測的人手，我就報了名。還好，雖然中有波折，也算是如期抵達了圖森（Tucson）市，按時(shí)報了到，最后也完整參與了2017年4月的BASS run。
2017年4月BASS的觀(guān)測時(shí)間表
從圖森市向西南驅車(chē)一小時(shí)左右，便可以抵達基特峰，沿途上86號公路頗為筆直，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(yáng)光將路面烤的滾燙，一路上都可以看到遠方鏡面一樣的蜃景。車(chē)行一半，便可以遠遠地眺見(jiàn)山頭上的一座銀白色的圓頂，這便應當是位于山頭最高處的Mayall 4m望遠鏡。到了山腳，沿著(zhù)盤(pán)山公路爬升三千余英尺，就來(lái)到了海拔2097米的基特峰上。
車(chē)已經(jīng)駛入了基特峰的山腳，由于射電天文觀(guān)測的需要，這里沒(méi)有了手機信號（No Service）。仔細看圖的右上角山頂，幾個(gè)小白點(diǎn)就是望遠鏡圓頂，其中最大的就是4m 的Mayall望遠鏡。
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，各項出眾的條件使得這里成為了優(yōu)良的天文臺址。在二戰之后，美國人打算興建新的光學(xué)望遠鏡臺址，在諸地考察之后，相中了這里的寧靜而干燥的空氣。當時(shí)的不遠處圖森大概只能算一個(gè)鎮子，光污染并不嚴重的同時(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，人才團隊也有著(zhù)堅實(shí)的基礎。于是，基特峰國立天文臺就這樣在這個(gè)印第安人的地盤(pán)上建立起來(lái)，美國國家光學(xué)天文臺（National Optical Astronomy Observatory, NOAO）的總部也就被設立在了亞利桑那大學(xué)天文系的旁邊。后來(lái)，諸多單位在山上建設了各種尺寸的望遠鏡，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(yáng)望遠鏡，當然，還有游客中心的0.4m的業(yè)余級小鏡子。時(shí)至今日，山頭上應該有26個(gè)天文望遠鏡，從光學(xué)到射電，從白天到黑夜，周而復始地收集來(lái)自天空的各個(gè)角落的信息。
在WIYN 3.5m望遠鏡附近的觀(guān)景臺上，用這個(gè)最經(jīng)典的機位，眺望漫山遍野的望遠鏡圓頂。
SARA 0.9米望遠鏡圓頂的門(mén)口擺了一只火烈鳥(niǎo)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望遠鏡朝南的的平臺。
我們的觀(guān)測團隊所使用的Bok望遠鏡應該是這山頭上第四大的光學(xué)望遠鏡，由亞利桑那大學(xué)史都華天文臺（Steward Observatory）運營(yíng)，直徑90英寸（2.3m），以史都華已故臺長(cháng)Bart Bok命名。項目所用的CCD相機由于位于望遠鏡主焦點(diǎn)（prime focus）上，所以叫做90prime。BASS是一個(gè)在北銀冠天區內進(jìn)行g(shù)和r波段巡天的項目——一道銀河把整個(gè)天空劃為兩部分，所謂北銀冠，說(shuō)的就是北邊的這部分天空，由于在北邊，適合在北半球觀(guān)測。在銀冠的方向上，來(lái)自銀河系的消光更小，所以相對更容易看到銀河系之外的天體。至于g和r波段，可以大致認為g是green，r是red——通過(guò)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)。根據項目的科學(xué)設計，觀(guān)測團隊將通過(guò)疊加三次曝光的圖像，使得在5000平方度的天區內，g波段極限星等達到24等，r波段達到23.4等，從而實(shí)現對北銀冠河外天體的深度搜尋。
站在Spacewatch 1.8m望遠鏡旁邊的平臺上看Bok（前）和Mayall（后）。說(shuō)實(shí)話(huà)，Mayall這個(gè)圓頂大的有點(diǎn)浪費，不過(guò)這畢竟是50年前的設計了，現在的天文圓頂已經(jīng)變得緊湊了不少。
這次四月的觀(guān)測項目一共為期兩周，除了中間有幾天遭遇了陰天和大風(fēng)無(wú)法正常進(jìn)行觀(guān)測，其余時(shí)間都算是晴朗而由穩定的好天氣。每天下午六點(diǎn)鐘，趁著(zhù)太陽(yáng)還沒(méi)有落下，我們就到圓頂做各式各樣的觀(guān)測準備——灌注液氮、拍攝用于校準圖像的偏置場(chǎng)（Bias）、圓頂平場(chǎng)（DomeFlat）影像，等待昏影結束，開(kāi)始每一日的觀(guān)測。實(shí)際上，在望遠鏡進(jìn)行拍攝的過(guò)程中，需要觀(guān)測者操作的并不多——現成的程序已經(jīng)生成好了操控望遠鏡的腳本，我們只需要監視屏幕上的風(fēng)速濕度、望遠鏡指向、圖像質(zhì)量等幾個(gè)數值，偶爾微調一下望遠鏡位置和曝光時(shí)間就可以。在大多數穩定的晴夜里，觀(guān)測不算辛苦。
為主焦點(diǎn)上CCD相機的杜瓦瓶加裝液氮。通過(guò)加裝液氮，可以使得相機冷卻，減少半導體中由于熱所產(chǎn)生的自由電子（暗流）。
灌注液氮當中的望遠鏡全景
巡天觀(guān)測比較有意思的是，望遠鏡時(shí)常能拍到一些有趣的目標，比如梅表中的星系，這些天體在大望遠鏡的視野中會(huì )顯得異常碩大明亮；比如一些成團成簇的小星系，很明顯地能看出它們應該屬于一個(gè)遙遠的集團當中；比如偶然拍到的亮星，觀(guān)測當中有兩次望遠鏡掃過(guò)了天璣（北斗七星當中的第三顆），在深度的曝光下，恒星的光暈可以覆蓋將近百萬(wàn)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(guò)CCD視場(chǎng)中心。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計算，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（可能誤差不小）——也不知道拍到這樣一顆明亮的流星，到底是幸運呢，還是倒霉。
巡天觀(guān)測時(shí)，偶然拍到的M108——著(zhù)名的沖浪板星系。這張圖像的曝光只有約一分鐘，沒(méi)有做任何改正。可以看到星系中間濃密的塵埃結構，和明亮的核球。黑色的暗條算是CCD上的一條壞線(xiàn)。展示軟件：DS9。
一張巡天觀(guān)測的影像，拍攝于約化儒略日57866日（2017年4月23日），斜著(zhù)的粗線(xiàn)是一顆天琴座流星雨的群內流星，而細線(xiàn)則是一顆人造衛星。圖像被分成了四塊，是因為整個(gè)CCD是由四塊分開(kāi)的CCD馬賽克拼接而成，相鄰處會(huì )有接縫。
基特峰這個(gè)臺址在現在的天文界已經(jīng)算不上是最頂級的了。來(lái)自圖森和鳳凰城（Phoenix）方向的光污染與日俱增，雖聽(tīng)說(shuō)當地有法案控制，但是文明的發(fā)展總是逐漸壓縮著(zhù)黑夜存在的空間，50年以來(lái)，環(huán)地平方向的光害增強了不少，相關(guān)的圖像記錄在游客中心的展示廳中有所顯示。隨著(zhù)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臺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(shuō)已逐漸降低。雖然我們遇到了視寧度1.0"的良好測光夜，但是比起最頂級的臺址已經(jīng)有了差距（作為參考，國家天文臺興隆觀(guān)測站典型的視寧度應該在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）。不過(guò)，相對于目前中國的幾個(gè)光學(xué)天文臺而言，這里還是相當不錯的——無(wú)論是夜天光亮度、視寧度還是晴夜率，這里都更適合天文觀(guān)測一些，讓人不由得感嘆，美國這塊地方當真是得天獨厚。
在一個(gè)大風(fēng)夜，由于Seeing罕見(jiàn)地很差（差不多4"；當天焦點(diǎn)狀況也不好），正常的科學(xué)性的觀(guān)測無(wú)法按要求進(jìn)行，我就借用望遠鏡拍攝了40秒r波段的的M104，圖像只改了暗場(chǎng)和平場(chǎng)，沒(méi)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(méi)去過(guò)其他的望遠鏡圓頂里參觀(guān)，不過(guò)這里的Outreach做的還是讓人佩服的。在這里，“國立”的名號絲毫不會(huì )讓人感受到威嚴——在白天，老百姓可以暢通無(wú)阻地自駕上山，到游客中心里打一杯咖啡，在展廳里摸一摸當時(shí)Mayall望遠鏡制作時(shí)留下的鏡胚，跟著(zhù)導游到太陽(yáng)塔里面參觀(guān)一下這個(gè)巧奪天工的光學(xué)設計，最后買(mǎi)上幾張明信片或者紀念衫送給友人。當然，如果當真愛(ài)好狂熱，也可以留在山上觀(guān)測（stargazing），似乎只需要交上一筆不貴的管理費。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鏡子的原理構造講的相當清楚，讓人感覺(jué)是下了不少功夫的。讓納稅人知道他們的錢(qián)做了多么偉大的事情，在這一點(diǎn)上，KPNO做的很不錯。
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(zhù)下弦月變成了新月，14天的觀(guān)測夜很快就結束了。這算是我第一次在天文臺做科學(xué)的測光觀(guān)測，我不確定以后是否還會(huì )有親手給Bok望遠鏡灌注液氮的機會(huì )，但希望這次告別不要太久。Bok，后會(huì )有期！
2017年5月1號 于圖森
作者：孫鳳梧（北大天文系）
編排：孫鳳梧
責任編輯：解仁江
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