世界各地的天文台

天文台是任何旨在收集和分析来自天体的光或其他信号的设施。最古老的持续运行的科学天文台是巴黎天文台,由法国国王路易十四于1667年建立,格林尼治皇家天文台随后于1675年在英国国王查理二世统治下建立。在随后的三个世纪的大部分时间里,观测天文学意味着从设在山丘、庄园或大学场地的地基望远镜进行可见光观测。二十世纪改变了这一传统。镜面铸造、主动光学、自适应光学、射电电子学和太空飞行的进步开启了观察宇宙的全新窗口,专门建造的设施被设置在偏远的山峰、深洞穴、南极冰层下以及有利于所需观测条件的日地拉格朗日轨道上。

现代天文台首先按其观测的波段分类,然后按其位置分类。光学和近红外天文台通常是地基的,并设置在干燥、黑暗、大气稳定的高海拔地区。目前运行的四个主要光学观测点是夏威夷的莫纳克亚山、智利阿塔卡马的帕瑞纳山和托洛洛山、拉帕尔马岛上加那利群岛的穆查丘斯罗克峰以及美国西南部的沙漠山顶。射电天文台需要无线电静默区,但可以在较低海拔运行。X射线和伽马射线天文学的光子无法穿透大气层,几乎完全从太空进行。新一代多信使天文台使用对引力波或高能中微子而非电磁辐射敏感的探测器。

天文台由国家机构、跨国联盟和大型大学合作伙伴运营。在美国,地基天文学主要通过国家科学基金会和NOIRLab系统协调。空基项目由美国国家航空航天局(NASA)领导,在欧洲则由欧洲航天局(ESA)领导。成立于1962年的欧洲南方天文台(ESO)运营南半球的主要地基设施,由十六个成员国共同支持。日本的国立天文台(NAOJ)、澳大利亚的联邦科学与工业研究组织、中国科学院和其他国家机构运营补充设施。越来越多的重大项目,包括阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列和平方公里阵列,被组织为跨国科学合作伙伴关系。

现代机构天文台是十七世纪的创新。巴黎天文台于1667年由路易十四国王在皇家科学院的敦促下委托建造,格林尼治皇家天文台于1675年成立以支持海上导航,两者确立了国家资助天文台的模板,配有固定工作人员、发布观测结果,并与科学院保持密切联系。俄罗斯的普尔科沃天文台于1839年在圣彼得堡郊外建立,成为十九世纪最重要的天文机构,为精密天体测量设定了新标准。成立于1830年的美国海军天文台加入了越来越多的国家天文台名单,其最初目的是提供计时和航海年历而非纯粹的科学研究。

十九世纪末和二十世纪初带来了一系列里程碑式的折射和反射望远镜。1897年安装在威斯康星州威廉斯湾叶凯士天文台的40英寸(1.02米)折射镜仍然是为天文用途建造的最大折射望远镜。1917年在南加州威尔逊山天文台完成的100英寸(2.54米)胡克望远镜是世界上运行了三十一年的最大望远镜,埃德温·哈勃在1920年代用这台仪器证明了银河系是众多星系之一,这些星系正在相互远离,这一观测是现代膨胀宇宙宇宙学的基础。1948年,同样位于南加州帕洛玛天文台的200英寸(5.1米)海尔望远镜接替胡克成为世界上最大的有效望远镜,并保持这一称号直到1990年第一台凯克望远镜首次观测。

二十世纪下半叶见证了专门建造的国际天文台在高海拔干燥地点的出现。亚利桑那州的基特峰国家天文台(1958年)、智利的托洛洛泛美天文台(1962年)、夏威夷的莫纳克亚天文台(1970年)以及加那利群岛的穆查丘斯罗克天文台(1985年)都发展成为主要的多望远镜园区。1978年爱因斯坦天文台、1983年红外天文卫星,尤其是1990年哈勃太空望远镜的发射,开启了大气层阻挡的波段,标志着天文学决定性地进入太空。

将望远镜置于轨道上消除了大气的模糊效应,并开启了原本被空气吸收的波段。紫外、X射线和伽马射线天文学只能从太空进行。红外天文学在大气层之上也更具生产力,因为大气和望远镜本身都在红外波段辐射,淹没了微弱的天体源。空基舰队现在包括约二十四个分布在电磁频谱上的运行主要天文台。

哈勃太空望远镜于1990年4月24日乘坐发现号航天飞机发射,是一个2.4米紫外、光学和近红外天文台,位于540公里的近地轨道。其主镜著名地被研磨成错误的规格,在发射时产生模糊的图像。1993年12月服务任务1期间由宇航员安装的校正光学包和新仪器恢复了哈勃的性能,随后的四次服务任务将望远镜的能力延续至至少2020年代末。哈勃产生了历史上复制最广泛的天文图像,并仍然是国际天文界的主力。

钱德拉X射线天文台于1999年7月乘坐哥伦比亚号航天飞机发射,是NASA的旗舰X射线天文台。其高度椭圆的轨道将其带到月球的三分之一处,允许长时间不间断的观测。斯皮策空间望远镜于2003年发射,在中红外和远红外波段运行,直到其氦冷却剂于2009年耗尽;它在较温暖的配置中继续运行,直到2020年1月任务结束。NASA的开普勒任务(2009年至2018年)及其继任者凌日系外行星巡天卫星(TESS,2018年发射)通过凌日法发现了目前编目的系外行星的绝大多数。欧洲航天局的盖亚任务于2013年发射,正在制作有史以来最精确的银河系三维地图,为近二十亿颗恒星提供天体测量位置和运动。

詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)于2021年12月25日从法属圭亚那乘坐阿丽亚娜5号发射,是有史以来发射到太空的最大和最复杂的望远镜。其6.5米分段主镜和五层遮阳罩在日地L2拉格朗日点运行,距地球约150万公里,被动冷却使仪器保持在50开尔文以下。JWST针对近红外和中红外进行了优化,旨在观测最早的星系、恒星托儿所和系外行星大气层。ESA的欧几里得任务于2023年7月发射,是一个1.2米广角望远镜,绘制天空三分之一的暗能量和暗物质。

多信使天文学使用非电磁信号,主要是引力波和高能中微子,来研究被遮蔽、遥远或基于光子的望远镜无法接近的天体物理源。首次直接探测到引力波是在2015年9月14日由激光干涉引力波天文台(LIGO)完成的,它识别出距离约13亿光年的一对恒星质量黑洞的螺旋和合并。LIGO的三位创始人因这一发现获得了2017年诺贝尔物理学奖。2017年8月17日,LIGO、Virgo和七十多个后续天文台对中子星合并GW170817的引力波和电磁辐射的联合探测,全面开启了多信使天文学时代。

LIGO由两个4公里迈克尔逊干涉仪组成,臂部有法布里-珀罗腔,一个位于华盛顿州汉福德,另一个位于路易斯安那州利文斯顿。第三个可比仪器Virgo拥有3公里臂,由意大利卡西纳附近的欧洲引力天文台运营。日本神冈矿附近的3公里KAGRA探测器建在花岗岩山内以减少地震噪声,并使用低温镜,在第三次观测运行中加入了国际网络。LIGO、Virgo和KAGRA现在根据正式数据共享协议在连续观测计划中发布探测结果。

南极阿蒙森-斯科特南极站的冰立方中微子天文台用5,160个光学传感器在86根垂直串上冷冻到1,450至2,450米深处,对一立方千米的南极冰盖进行仪器化。在冰中相互作用的高能中微子产生带电次级粒子,其切伦科夫光被计时和三角测量以重建中微子的方向。2017年,冰立方识别出一个高能中微子,结合伽马射线、光学和射电望远镜的后续观测,追溯到耀变体TXS 0506+056,提供了首次识别天体物理中微子的河外源。补充中微子设施在俄罗斯贝加尔湖和地中海(KM3NeT)运行。

三个旗舰地基光学设施正在调试或建设中,将为下一代定义观测天文学。维拉·C·鲁宾天文台,原称大型综合巡天望远镜,位于智利帕琼山现有双子南和SOAR望远镜附近。其8.4米主三级镜和3.2千兆像素相机是为任何目的建造的最大数码相机,将在十年内每三晚对整个南方天空成像一次,产生数十亿个天体的时域目录和前所未有的变量和瞬变现象记录。2025年末实现了系统验证的首次观测,十年遗产时空巡天计划于2026年开始。

智利北部阿玛佐内斯山正在建设的极大望远镜(ELT)是欧洲南方天文台的项目。ELT拥有直径39.3米的分段主镜,其聚光面积约为任何现有光学望远镜的十三倍。其自适应光学系统使用激光导星和数千个单独控制的镜面执行器,旨在在可见光和近红外波长接近衍射极限。首次观测计划在本十年晚些时候进行。智利拉斯坎帕纳斯天文台的巨型麦哲伦望远镜和仍在审查选址的三十米望远镜是美国领导的可比规模项目。

在射电天文学中,平方公里阵列(SKA)是未来十年的主要国际项目。在南非和澳大利亚举办,由总部设在英国卓德尔班克的SKA天文台政府间组织协调,SKA最终将包括数千个碟和低频偶极天线协同工作。前两个子阵列SKA-Mid在南非卡鲁和SKA-Low在西澳大利亚的建设始于2022年,南非现有的MeerKAT阵列和澳大利亚SKA探路者(ASKAP)作为前身并最终作为更大系统的集成组件。SKA旨在研究再电离时期的早期宇宙,并对宇宙的磁场和中性氢含量进行全天巡天。

地基天文台的性能取决于其上方夜空的质量,天文学家数十年来一直致力于保护观测点免受光污染、射频干扰和大气污染。国际天文学联合会(IAU)通过其现有和潜在天文台观测点保护委员会B7和为科学与社会保护黑暗安静天空倡议,协调保护天文台观测点的国际倡导。IAU与国家和地方政府合作,鼓励限制户外照明、要求屏蔽灯具并偏爱暖色灯而非在大气中散射更强的富蓝白色LED的照明法规。智利环境部、1988年拉帕尔马西班牙天空法以及由国际暗天协会管理的国际暗天保护区指定都是成功实施的例子。

射电天文台需要不同形式的保护。美国国家射电静默区由联邦通信委员会和跨部门无线电咨询委员会于1958年建立,覆盖西弗吉尼亚州和弗吉尼亚州约33,700平方公里,并限制绿岸站点周围十英里核心区的固定和移动无线电传输。正在建设SKA-Low阵列的西澳大利亚默奇森射电天文台同样受到澳大利亚射电静默区的保护。国际电信联盟为射电天文学用途保留了许多射频频段,最著名的是包含21厘米氢线的1400至1427 MHz频段。

自2019年以来,近地轨道卫星星座的快速扩散,主要是SpaceX的星链系统,但也包括OneWeb、亚马逊的Kuiper项目和中国星座,引入了一种新形式的天空污染。广角光学望远镜(如维拉·鲁宾天文台)拍摄的图像中的明亮卫星轨迹,以及干扰受保护天文频段的卫星下行链路的无线电发射,促使IAU、美国天文学会和联合国和平利用外层空间委员会正式表达关切。SpaceX和其他几家运营商已实施变暗处理和遮阳设计以降低其卫星的光学亮度。大型星座对地基观测的长期影响是一个活跃的研究和监管谈判领域。

所有CountryReports内容的详细引用、数据参考和机构来源都列在来源页面上。以下航天机构、国家研究委员会、天文台联盟和国际科学联合会是我们依赖的天文台和望远镜内容的主要权威机构。

航天机构和空间天文台

• NASA——哈勃太空望远镜——由NASA和ESA共同运营的HST的任务页面、服务任务历史和运行状态。
• NASA——詹姆斯·韦布空间望远镜——JWST的任务概述、仪器文档、调试报告和科学成果。
• 钱德拉X射线天文台(NASA/CfA)——史密森天体物理天文台和NASA马歇尔太空飞行中心联合运营的NASA旗舰X射线天文台。
• 空间望远镜科学研究所(STScI)——哈勃、JWST和即将推出的Nancy Grace Roman空间望远镜的科学运营中心,由天文学研究大学协会为NASA运营。
• 欧洲航天局——空间科学——盖亚、欧几里得、XMM-牛顿、INTEGRAL和其他ESA天文台任务。

地基天文台联盟

• 欧洲南方天文台(ESO)——运营帕瑞纳山甚大望远镜、ALMA合作伙伴关系和阿玛佐内斯山极大望远镜。十六个成员国。
• NSF NOIRLab——美国国家科学基金会协调运营双子、基特峰、托洛洛山、社区科学和数据中心以及即将推出的维拉·C·鲁宾天文台。
• 国家射电天文台(NRAO)——运营詹斯基甚大阵列和甚长基线阵列,是ALMA的美国合作伙伴。由联合大学公司管理的NSF设施。
• 绿岸天文台——国家射电静默区100米×110米Robert C. Byrd绿岸望远镜的运营商。
• 日本国立天文台(NAOJ)——莫纳克亚山8.2米昴星团望远镜和日本ALMA合作伙伴关系的运营商。
• 夏威夷大学——莫纳克亚天文台——天文研究所对莫纳克亚园区及其望远镜租户的概述。
• CSIRO澳大利亚望远镜国家设施——澳大利亚的国家射电天文台网络,包括帕克斯64米、澳大利亚望远镜紧凑阵列和SKA的ASKAP前身。
• 加拿大国家研究委员会——CFHT——莫纳克亚山加拿大-法国-夏威夷望远镜的加拿大运营。

多信使和下一代设施

• LIGO实验室(加州理工/麻省理工)——激光干涉引力波天文台;由国家科学基金会资助的汉福德(华盛顿)和利文斯顿(路易斯安那)探测器。
• 欧洲引力天文台——Virgo——运营意大利卡西纳附近的3公里Virgo干涉仪,与LIGO和KAGRA进行科学合作。
• 冰立方中微子天文台——威斯康星大学麦迪逊分校,天文台的牵头机构。南极一立方千米的仪器化冰层。
• 维拉·C·鲁宾天文台——智利帕琼山的DOE/NSF联合设施,进行十年遗产时空巡天。
• SKA天文台(SKAO)——总部设在卓德尔班克的政府间组织,协调南非和澳大利亚平方公里阵列的建设和运营。
• 南非射电天文台(SARAO)——MeerKAT阵列和卡鲁SKA-Mid前身观测点的运营商。

国际科学联合会和期刊

• 国际天文学联合会(IAU)——天文学家的全球专业机构,负责天文命名和黑暗安静天空倡议。
• 天文学杂志(AJ)——美国天文学会的同行评审期刊,由IOP出版;观测天文学和太阳系研究。
• 天体物理学杂志(ApJ)——美国天文学会的同行评审期刊,由IOP出版;天体物理研究的主要期刊。
• 天文学与天体物理学(A&A)——由国家天文学会联盟赞助的欧洲天文学同行评审期刊。

如果您发现错误或想提出更正建议,请使用我们的联系页面与我们联系。