至2022年10月,欧洲南方天文台已建成60载,自我博士毕业离开该台也已有十年。借此机会,讲讲欧洲南方天文台这个享有盛誉的传奇天文台。
黄昏时分的4台8.2米口径甚大望远镜(VLT,右侧)和4台1.8米口径辅助望远镜(AT,左侧)
欧洲南方天文台(欧南台)的建立并不是一帆风顺。尽管在20世纪初,欧洲在科学研究领域人才济济,仍处于领跑地位,但两次世界大战,尤其是在第二次世界大战后,美国代替了欧洲成为了科学领头羊。而这对于欧洲的老牌科学家们不啻是一种绝对的刺激。在1953年的第一次国际天文学年会(IAU)上,沃尔特·巴德和简·奥尔特牵头与与会天文学家们商议要组建一个欧洲人的天文台,并且共同签署了以下决定:这个天文台一定要建在南半球;仿效美国Palomar天文台,一定要有一台3米口径的精测望远镜和一台巡天用的施密特望远镜;这个天文台的经费由欧洲几个国家的天文研究机构联合支持(而后逐步演变为各合作国政府联合出资)。
第一届国际天文年会的参会天文学家。Guillermo Haro,Walter Baade,Otto Heckmann, Jan Oort等均参加了这届年会,并签署了成立欧洲南方天文台的协议。
之所以要选择将天文台建在南半球,一是由于南半球上空(南天)在当时被观测得远不充分,有着更多有趣的目标等待被发现。而且当时欧洲天文研究以恒星为主,南天更靠近银心方向,对于这类研究极有帮助。二是由于欧洲天文学家早自18世纪起就在南非开展过各种天文观测,对于南非的条件更为习惯和适应;南非更好的天文气候及暗夜条件也是欧洲所无法比拟的。故此,最初的台址选址工作主要就集中在了非洲大陆的南端。从1955年起,大量的人力物力投入到南非的选址工作当中。
在欧洲这边,更多的麻烦来自于如何在战后募集足够多的经费用于支持天文台机构的建设以及台址的勘测项目。花销十倍高于预期的选址工作以及中途英方的退出更是让组建天文台这项事业雪上加霜。幸运的是很多当时参与欧南台建设的各方代表在各自国家的科研政策制定中举足轻重,这些代表最终以政府的名义联合签署了跨政府间合作的法律文件。1962年10月5日,来自五个创始国家(比利时,法国,德国,瑞典和荷兰)的代表在巴黎签署公约,欧南台自此正式建立,而总部就设立在位于日内瓦的CERN(欧洲核子研究组织)的园区里。
骑着毛驴去选址。海克曼(Heckmann)和奥尔特(Oort)前往智利勘查托洛洛山(Cerro Tololo)附近候选台址。
与此同时,美国大学天文联盟也在南半球寻找着合适的天文台址,其中一位参与选址工作的天文学家于尔根·施托克(Jürgen Stock)根据他以前在南非观测的经验,断定位于南美安第斯山脉的智利的观测条件要比南非好得多。于是他告知了他以前的老师,也是第一任欧南台台长的海克曼(Otto Heckmann)。这引起了海克曼和欧南台科学家的兴趣:智利的视宁度,夜间温度变化幅度,晴夜数等都比南非要好。而晴夜可观测小时总数甚至超过了南非50%。欧南台的建站方向迅速偏向了一个远在天边的国家——智利。
在地球的另一侧的国家找当地政府要一大片地建望远镜并不是一件容易事。好在海克曼在这里遇到了一名在当地及政府内很有影响力的同乡,帮助他在不到半年的时间里迅速打通了政府关系。智利政府与欧南台签署了合作协议。在合作协议签署后的不到一个月时间里,欧南台在智利安第斯山脉的沙漠里选定了一个海拔约2400米的山头,La Silla,作为未来天文台的台址。第二年(1965年),La Silla山头上,新天文台的工程建设正式开始。这个选定台址的决策相比起之前在南非所开展的选址工作几乎就像是蒙上眼睛去投飞镖。只是,这个飞镖还真扎到十环上了……
位于南美洲南北向最长的国家——智利。右侧是左侧白色阴影区域的放大图,可以看到La Silla, Paranal,Chajnantor这三个台站的位置。
随着La Silla天文台位置的选定,一批1米量级的中小口径望远镜落户在此。但第一次IAU 大会上确定的那台3米口径望远镜却迟迟未能开始兴建,主设计师难以捉摸的性格以及第一次加工出现问题的3.6米的主镜镜坯都使得这台望远镜开光时间越来越向后推迟。第二届欧南台台长上任,即刻联系CERN,请求援手。虽然当时CERN并没有光学技术人才可以支援欧南台建设新望远镜,所幸的是,他们请到了蔡司光学大家雷蒙德·威尔森(亦称:瑞·威尔森,Ray Wilson)和丹尼尔·艾纳德(Daniel Enard)作为光学工程师加入欧南台。同时加入的还有一批来自CERN的极富经验的工程人员。在这些工程师的帮助下,望远镜,尤其是圆顶的设计被推倒重来以应对紧迫的时间和经费要求。在他们的帮助下,3.6米望远镜总算于5年后的1976年,这个预定的时间节点成功首光。3.6米望远镜的成功观测也标志着欧南台实现了最初建立该机构的目标。
3.6米望远镜(精测)以及1.4米施密特望远镜(巡天)。事实证明这是一套非常有效的望远镜组合。
La Silla天文台的望远镜。
但在建设3.6米望远镜的过程中,瑞·威尔森发现重达十余吨的主镜以及副镜支撑会在望远镜旋转过程中因重力作用使光轴发生变化。于是在完成3.6米望远镜后的1982年,他发表了“主动光学”这个技术概念,也就是通过测量成像畸变情况,主动对主镜面施加反变形作用力抵消重力作用,保证镜面能够提供最优成像质量的技术。罗特·纳特(Lothar Noethe)成功在实验室实现这项技术后,威尔森将这项技术连同当时的很多新技术一同注入到新技术望远镜(New Technology Telescope)当中。而这项技术不仅为威尔逊赢得了2010年卡夫利奖(Kavli Prize),同时随后的大望远镜包括我国的LAMOST望远镜都受益于此技术。
3.6米望远镜圆顶、望远镜以及用于进行系外行星探测的高精度视向速度行星探测仪(HARPS,High Accuracy Radial-velocity Planet Searcher)。
La Silla天文台,3.6米望远镜、1米施密特望远镜以及新技术望远镜的到来使得欧洲南方天文台在上世纪80年代帮助欧洲实测天文学家再次具备了能与美国天文学家一较高下的可能性。在随后的20年里,Paranal天文台以及四台8.2米口径的望远镜的成功建设更是帮助欧洲天文学家稳步跻身于世界天文领域之巅。2013年开始全面运作的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)是世界上造价最高、规模最大的亚毫米波天线阵,欧洲南方天文台作为其主要建设运行单位,重要性不言而喻。而貌似年纪已大的3.6米望远镜在新仪器HARPS的加持下,在系外行星搜寻领域频频爆出新发现。
阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列由54座12米口径天线和12座7米口径天线组成阵列协同工作,实现毫米波至太赫兹(1THz)的观测。
回顾过往,欧南台的发展远非一路坦荡,坎坷和机缘际会的巧合也时而左右着这个天文台的命运。但无论如何,总有传奇的人物会涌现出来,披荆斩棘,成就了它现在的地位。或许这就是它传奇的原因。
鸟瞰已搬到德国加兴(Garching)的欧南台总部,下方的红色顶建筑和其上方的灰褐色顶建筑为总部主楼,右侧黑色圆形建筑为技术部建筑。左侧方形建筑则是集装箱搭建的临时建筑,此前的自适应光学部就占据此小楼。
注:以上图片均来自欧洲南方天文台。