2011年03月20日 《科技日报》陈瑜
3月15日，东南大学教授魏海坤从澳大利亚搭乘飞机提前回国。但作为我国第27次南极科学考察队队员，他在南京遥感着万里之外的南极内陆冰盖，南极昆仑站的温度、湿度……一切仍在他的眼前。
这些数据来自我国在南极昆仑站建立的首座独立设计、制造、运行管理与维护的天文科考智能支撑平台，作为现场执行人的魏海坤将平台形容为替天文观测仪器提供“吃喝拉撒”的生命保障系统。它的建设也标志着我国在南极建造天文台的帷幕已经拉开。
打破南极天文科考受制于人的局面
昆仑站所在的冰穹A，天文观测优势早已被业界看好。
在地球上的其他地区，地面以上几百米乃至几公里的地方，大气都存在着明显的抖动，对天文观测来说，这很不利。而在冰穹A，大气抖动基本集中在地面以上十几米的空间，在此之上大气变得十分稳定，只要把天文望远镜架设在距地面十几米高的地方，基本可摆脱大气抖动的干扰。除了稳定，这里的大气非常稀薄、透明，可以说是一个“准空间”的环境。
冰穹A的异常干燥环境也有利于进行在地球上其他地方难以进行的太赫兹波段观测。在其他地方，外来的电磁波，特别是太赫兹波段会被大气中的水分子吸收。
2007年，来自我国紫金山天文台和国家天文台的天文学家朱镇熹和周旭在冰穹A搭建了由澳大利亚新兰威尔士州立大学为主研制的一套天文科考支撑平台——PLATO，并陆续安装了天文望远镜等仪器。这些观测数据通过卫星传回设在澳大利亚新兰威尔士州立大学的数据中心，该大学长年派人24小时值班，随时监控温度控制状态。
当时双方约定，数据共享。但几年下来，我国科学家越发感觉被人“卡脖子”。虽然我国为平台建设出了不少钱，但要获取数据，必须向澳方提出要求，获得批准后对方才会转发一份数据，有关我国南极昆仑站的一些敏感数据仍然拿不到。在很多场合，澳方发表论文时甚至不再提及中国。
国内天文界研究人员决心携手改变这一现状。2009年9月，东南大学和紫金山天文台签订合同，计划在第27次南极科学考察中安装自己的天文科考智能支撑平台。
每颗螺丝的位置设计都要考虑南极的环境
“我们一点经验都没有，但首先必须让它在昆仑站运行，否则没法积累经验。”魏海坤直言。他拿载人航天工程中最重要的生命保障系统打比方，要将人平安送上太空，并让其平安返回，前期要做很多试验。
天文科考智能支撑平台是天文观测仪器的生命保障系统，它控制着仪器的“吃”“喝”，支撑着仪器的正常运行。
南极分夏冬两季，夏季基本上是极昼，冬季大部分时候是极夜。天文观测基本上在冬季进行，在昆仑站建天文台，首先要有一套可以在无人值守的极端环境下独立运行的控制系统，包括发电系统、结构与温控系统、现场主控系统、数据存储系统、通信及国内监控系统等，利用这些系统提供南极天文望远镜等观测设备运行所需的电力，并对天文设备进行实时监测、遥控及数据通讯。
由于长年低温，很多计算机系统在极端条件下都会失灵，因此还必须有一套温度控制系统，可以保持平台工作空间的温度在零下20℃以上。所有这些系统都要保证在至少一年的时间内能够不间断地工作，这对整个系统的稳定性提出了很高的要求。
天文台正式建成后，这里的计算机系统会实时处理观测来的海量数据，一些重要的数据通过铱星通信系统实时传回到国内进行分析，而大部分的观测数据则储存在电脑内，等待夏季到来的科考队员取走。
魏海坤告诉记者，平台此前被运往海拔4300米的西藏羊八井地区进行了3个月的测试，尽量模拟冰穹A的低压低温环境。
低压环境模拟相对容易，因为羊八井的气压与昆仑站差不多。由于冰穹A地区严重缺氧，燃料燃烧不充分，输出功率大打折扣，平台专门做了低气压改造。
低温环境则让人犯难，世界上任何其他地方都没法模拟冰穹A的低温环境。魏海坤告诉记者，项目组曾在南京找到一个低温冷库，但冷库门太小，舱大，搁不进去，而且冷库的最低温度为零下15℃，远高于冰穹A的温度。学校实验室可以模拟零下80℃的环境，但对动辄数吨的平台，同样无能为力。
在设计中，项目组也充分考虑到了昆仑站的现实环境，甚至细微到一颗螺丝的位置设计，无人值守要求安装维护简便，因为每年进入内陆的时间非常有限，如果拧一个螺丝就要花掉大半天，代价太高。
因为是精密仪器，对运输条件也提出了高要求。从南京运到西藏，再从上海登雪龙船，跨越西风带，在冰盖颠簸近1300公里，魏海坤之前最担心的是舱在路途中受到不可修复的损害，那将意味着项目组30多人一年半的努力付诸东流。“今年雪面特别软，而且发电舱用上了减震雪橇，行程算是有惊无险。”魏海坤说。
安装过程也不简单。在昆仑站极低温环境下，电线一拧就断，此外因高原反应，头疼，吃不下睡不着，在雪地搬东西特别费劲，本来可搬动100斤的物件，到了雪地、到了昆仑站，重量要大打折扣。
魏海坤说，此次平台安装在很多方面借鉴了澳大利亚的经验，同时做了进一步改善。澳大利亚平台单台机组输出功率只有1千瓦，我国单台机组输出功率达1.8千瓦，最多可6台机组并网运行，同时实现了智能控制，保证任何时候都有发电机组在运行，一旦出现故障，将由控制系统自主选择蓄电池供电。
瞄准暗物质、黑洞和宇宙起源
魏海坤透露，平台安装调试成功后，我国将正式进入南极天文台的建设，明后年将陆续把一些较大型的观测系统运入南极。这些较大型观测系统包括三个望远镜，口径都在50厘米左右，称作南极施密特望远镜阵(AST3)，预计2013年左右可以全面运行观测。此前我国在冰穹A地区进行的一些天文观测，使用的都是一些小型望远镜。
这些实力非常强大的望远镜尽管口径不大，但分辨率相当高，一幅图视场的大小可以装50个月亮，而普通望远镜只能看到月亮上几百分之一的区域。这套观测系统的主要科学目标是做超新星研究，以及利用微引力透镜效应搜寻太阳系以外行星，这使得AST3有望成为地面上最强大的系外行星搜寻系统之一。此外，这套观测系统还可用来发现瞬变源和特殊天象等。
所有这些目标，瞄准的都是当前物理学和天文学最根本的问题，进行“两暗一黑三起源”的探索研究。所谓“两暗”是指暗物质、暗能量，“一黑”是指黑洞，“三起源”是指宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源。
以宇宙生命起源问题来说，生命从哪里来？是不是只有地球上有生命？要回答这个问题，就要搜寻宇宙中可能允许生命存在的物理环境。十几年前系外行星的发现，让这个问题变得更有意义。目前国际天文观测中一个重要的目标，就是希望发现与地球环境相似的行星，比如上面要有水、有氧气、要温度适宜等。
“澳大利亚的类似平台已经做了十年，PLATO已经是澳大利亚人的第三代系统。我们才刚开始，很多方面尚属试验阶段。”魏海坤说，“十二五”期间我国会在昆仑站上搭建一个全新的智能平台。新一代平台不仅输出功率更大，在能源使用上也会加入太阳能元素，改变目前完全依赖常规能源的格局。
（本报“雪龙”号3月19日电）