基特峰國立天文台觀測手記（一）

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寫在前面

在亞利桑那大學的第一個月，我便來到基特峰國立天文台（Kitt Peak National Observatory）的Bok 2.3m望遠鏡上觀測了兩周。這篇文章是兩篇觀測手記中的第一篇，主要講的是在山上做的正經的天文觀測；第二篇隨後也會寫好，講的是不算正經的業餘天文觀測，和其他的一些參觀雜記。

初

識基特峰是在2012年。當時讀《天文愛好者》雜誌，有一期刊登了一篇在基特峰的觀測散記，雖說文章內容已經忘了個乾淨，但當時的我處在一個對天文最為感興趣的年紀，所以這個地名也算是記了下來（也是奇怪，我一直對記地名有著特殊的興趣）。

也許是有關Kitt Peak最有名的照片之一，閃電下的望遠鏡圓頂。圖片來源：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，我作為績點倒數第二僥倖申請到了去亞利桑那大學實習四個月的機會，得知自己有理論上的機會來基特峰觀測，內心甚是激動。恰巧後續北京-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，按時報了到，最後也完整參與了2017年4月的BASS run。

2017年4月BASS的觀測時間表

從圖森市向西南驅車一小時左右，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。車行一半，便可以遠遠地眺見山頭上的一座銀白色的圓頂，這便應當是位於山頭最高處的Mayall 4m望遠鏡。到了山腳，沿著盤山公路爬升三千餘英尺，就來到了海拔2097米的基特峰上。

車已經駛入了基特峰的山腳，由於射電天文觀測的需要，這裡沒有了手機信號（No Service）。仔細看圖的右上角山頂，幾個小白點就是望遠鏡圓頂，其中最大的就是4m 的Mayall望遠鏡。

就海拔而論，基特峰不算高，就個人上山經歷而言，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裡成為了優良的天文台址。在二戰之後，美國人打算興建新的光學望遠鏡台址，在諸地考察之後，相中了這裡的寧靜而乾燥的空氣。當時的不遠處圖森大概只能算一個鎮子，光污染並不嚴重的同時還能提供充足的物資供給。而且在那個年代，亞利桑那大學天文系已經搞得有聲有色，人才團隊也有著堅實的基礎。於是，基特峰國立天文台就這樣在這個印第安人的地盤上建立起來，美國國家光學天文台（National Optical Astronomy Observatory, NOAO）的總部也就被設立在了亞利桑那大學天文系的旁邊。後來，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望遠鏡，當然，還有遊客中心的0.4m的業餘級小鏡子。時至今日，山頭上應該有26個天文望遠鏡，從光學到射電，從白天到黑夜，周而復始地收集來自天空的各個角落的信息。

在WIYN 3.5m望遠鏡附近的觀景台上，用這個最經典的機位，眺望漫山遍野的望遠鏡圓頂。

SARA 0.9米望遠鏡圓頂的門口擺了一隻火烈鳥的模型，配合上粉色的欄杆，顯得十分少女心。

日落基特峰，拍攝於Bok望遠鏡朝南的的平台。

我們的觀測團隊所使用的Bok望遠鏡應該是這山頭上第四大的光學望遠鏡，由亞利桑那大學史都華天文台（Steward Observatory）運營，直徑90英寸（2.3m），以史都華已故台長Bart Bok命名。項目所用的CCD相機由於位於望遠鏡主焦點（prime focus）上，所以叫做90prime。BASS是一個在北銀冠天區內進行g和r波段巡天的項目——一道銀河把整個天空劃為兩部分，所謂北銀冠，說的就是北邊的這部分天空，由於在北邊，適合在北半球觀測。在銀冠的方向上，來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。至於g和r波段，可以大致認為g是green，r是red——通過記錄下天體在不同的顏色範圍上的亮度，可以幫助天文學家分析天體的物理性質。根據項目的科學設計，觀測團隊將通過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望遠鏡旁邊的平台上看Bok（前）和Mayall（後）。說實話，Mayall這個圓頂大的有點浪費，不過這畢竟是50年前的設計了，現在的天文圓頂已經變得緊湊了不少。

這次四月的觀測項目一共為期兩周，除了中間有幾天遭遇了陰天和大風無法正常進行觀測，其餘時間都算是晴朗而由穩定的好天氣。每天下午六點鐘，趁著太陽還沒有落下，我們就到圓頂做各式各樣的觀測準備——灌注液氮、拍攝用於校準圖像的偏置場（Bias）、圓頂平場（DomeFlat）影像，等待昏影結束，開始每一日的觀測。實際上，在望遠鏡進行拍攝的過程中，需要觀測者操作的並不多——現成的程序已經生成好了操控望遠鏡的腳本，我們只需要監視屏幕上的風速濕度、望遠鏡指向、圖像質量等幾個數值，偶爾微調一下望遠鏡位置和曝光時間就可以。在大多數穩定的晴夜裡，觀測不算辛苦。

為主焦點上CCD相機的杜瓦瓶加裝液氮。通過加裝液氮，可以使得相機冷卻，減少半導體中由於熱所產生的自由電子（暗流）。

灌注液氮當中的望遠鏡全景

巡天觀測比較有意思的是，望遠鏡時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於一個遙遠的集團當中；比如偶然拍到的亮星，觀測當中有兩次望遠鏡掃過了天璣（北斗七星當中的第三顆），在深度的曝光下，恆星的光暈可以覆蓋將近百萬像素的範圍。最奇怪的一次我們偶然拍到了一顆流星，從東南方向穿過CCD視場中心。經過簡單的計算，流星的方向與天琴座流星雨的輻射點吻合，套用這個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。

巡天觀測時，偶然拍到的M108——著名的衝浪板星系。這張圖像的曝光只有約一分鐘，沒有做任何改正。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。展示軟體：DS9。

一張巡天觀測的影像，拍攝於約化儒略日57866日（2017年4月23日），斜著的粗線是一顆天琴座流星雨的群內流星，而細線則是一顆人造衛星。圖像被分成了四塊，是因為整個CCD是由四塊分開的CCD馬賽克拼接而成，相鄰處會有接縫。

基特峰這個台址在現在的天文界已經算不上是最頂級的了。來自圖森和鳳凰城（Phoenix）方向的光污染與日俱增，雖聽說當地有法案控制，但是文明的發展總是逐漸壓縮著黑夜存在的空間，50年以來，環地平方向的光害增強了不少，相關的圖像記錄在遊客中心的展示廳中有所顯示。隨著全世界天文學家選址工作的不斷進展，目前國際上的三大頂級台址變成了夏威夷莫納克亞、西班牙迦納利群島和智利的阿塔卡瑪，基特峰的重要性可以說已逐漸降低。雖然我們遇到了視寧度1.0"的良好測光夜，但是比起最頂級的台址已經有了差距（作為參考，國家天文台興隆觀測站典型的視寧度應該在2.0"左右；視寧度越小，星點在底片上的尺度越小，越容易拍攝到暗弱目標）。不過，相對於目前中國的幾個光學天文台而言，這裡還是相當不錯的——無論是夜天光亮度、視寧度還是晴夜率，這裡都更適合天文觀測一些，讓人不由得感嘆，美國這塊地方當真是得天獨厚。

在一個大風夜，由於Seeing罕見地很差（差不多4"；當天焦點狀況也不好），正常的科學性的觀測無法按要求進行，我就借用望遠鏡拍攝了40秒r波段的的M104，圖像只改了暗場和平場，沒有做進一步的處理。

很遺憾，由於天氣一直還成，我也基本沒去過其他的望遠鏡圓頂里參觀，不過這裡的Outreach做的還是讓人佩服的。在這裡，「國立」的名號絲毫不會讓人感受到威嚴——在白天，老百姓可以暢通無阻地自駕上山，到遊客中心裡打一杯咖啡，在展廳里摸一摸當時Mayall望遠鏡製作時留下的鏡胚，跟著導遊到太陽塔裡面參觀一下這個巧奪天工的光學設計，最後買上幾張明信片或者紀念衫送給友人。當然，如果當真愛好狂熱，也可以留在山上觀測（stargazing），似乎只需要交上一筆不貴的管理費。遊客中心的展館雖然不大，但是把KPNO的歷史和他們主要的幾台鏡子的原理構造講的相當清楚，讓人感覺是下了不少功夫的。讓納稅人知道他們的錢做了多麼偉大的事情，在這一點上，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很感動

——我們都是星塵。

基特峰上的「租客」清單

隨著下弦月變成了新月，14天的觀測夜很快就結束了。這算是我第一次在天文台做科學的測光觀測，我不確定以後是否還會有親手給Bok望遠鏡灌注液氮的機會，但希望這次告別不要太久。Bok，後會有期！

2017年5月1號 於圖森

作者：孫鳳梧（北大天文系）

編排：孫鳳梧

責任編輯：解仁江

『天文濕刻』 牧夫出品

微信號：astronomycn

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