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$J$ and $H$ band sky brightness measurements from polar day to polar night at Dome A, Antarctica

本文展示了在南极穹顶A站（Dome A）进行的首次连续 $J$ 波段和 $H$ 波段天空亮度测量，涵盖了从极昼到极夜的周期，揭示了明显的暮光边界、极夜期间比常规周期更暗的夜间背景，以及 $H$ 波段亮度与太阳活动之间的相关性。

原作者： Jinji Li, Bin Ma, Haonan Yang, Pu Lin, Zhongnan Dong, Michael C. B. Ashley, Lu Feng, Yi Hu, Zhaohui Shang, Yun Shi, Shijie Sun, Xu Yang

发布于 2026-07-03

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CC BY 4.0

原作者： Jinji Li, Bin Ma, Haonan Yang, Pu Lin, Zhongnan Dong, Michael C. B. Ashley, Lu Feng, Yi Hu, Zhaohui Shang, Yun Shi, Shijie Sun, Xu Yang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

请不要将夜空想象成一块完美的、漆黑的画布，而要把它想象成一扇微微发光、带着薄雾的窗户。对于试图观测微弱、遥远恒星的天文学家来说，这种“薄雾”（被称为天空亮度）就像是站在路灯旁试图寻找一只萤火虫。路灯越暗，视野就越好。

这篇论文是对 Dome A（南极冰盖上的最高点）“路灯”水平的一份成绩单。这里被认为是地球上观测宇宙的最佳地点之一，但直到现在，还没有人对其近红外波段的“光辉”进行过从明亮的夏季白昼一直到黑暗的冬季夜晚的连续测量。

以下是他们发现的研究成果，使用了简单的类比：

1. 任务目标：观察光辉的变化

研究团队使用了一台名为 AIRBT（南极红外双筒望远科镜）的特殊望远镜，它就像一双高科技的眼睛。他们让望远镜连续数月盯着天空中的一个固定点，从夏季末（此时太阳仍在地平线之上）经过黄昏，一直到深邃黑暗的极夜。

他们测量了人类肉眼看不见、但照相机可以捕捉到的两种特定“颜色”的光：J波段和H波段。你可以把它们想象成两种不同的红外光色调。

2. 结果：这里有多暗？

团队发现，Dome A 的天空极其黑暗，但会根据季节和太阳的位置而变化。

白天的“路灯”： 当太阳处于高位时，天空非常明亮（就像一个明亮的阴天）。
黄昏的过渡： 随着太阳沉入地平线以下，天空并不会瞬间变黑，而是逐渐变暗。团队找到了天空进入“夜晚”状态的确切时刻：
- 在 J波段，当太阳位于地平线以下约 9.3度 时，天空完全变暗。
- 在 H波段，过程稍长，当太阳位于地平线以下 7.4度 时，天空才变暗。
- 类比： 想象一个调光开关。在像夏威夷或智利这样的中纬度地区，你必须把开关调得很低（太阳下降12度）才能让房间真正变暗。而在 Dome A，开关关闭得更快（太阳仅下降7–9度），这为天文学家提供了更长的“夜晚”来开展工作。
极夜： 一旦太阳彻底消失（进入极夜），天空会变得更加黑暗。
- J波段的天空亮度约为 15.3（在这个标度中，数字越高代表越暗）。
- H波段的天空亮度约为 13.4。
- 对比： 这与夏威夷著名的冒纳凯亚天文台在 J 和 H 波段的表现相当，但在 K 波段（另一种红外颜色），Dome A 明显更暗，使其成为了顶级观测点。

3. 与“太阳黑子”的联系

论文注意到太阳本身的一些有趣现象。观测期间正值太阳活动非常活跃的时期（接近“太阳极大期”），这意味着太阳有很多黑子。

隐喻： 把太阳想象成一个吵闹的邻居。当邻居很安静时（太阳极小期），天空也非常平静。当邻居很吵闹、正在开派对时（太阳极大期），天空会变得稍微明亮一些。
发现： 在极夜期间，团队观察到，当太阳黑子较多时，H波段的天空会变得略微明亮。这就像太阳的“噪音”一直传到了南极，让天空微微发光。这表明，为了获得绝对黑暗的天空，你可能需要在太阳安静而非“开派对”的时候进行观测。

4. “霜冻”问题

望远镜在没有任何人触碰的情况下在户外放置了数月。他们面临的一个挑战是望远镜窗口上形成的霜冻。

类比： 想象你透过一扇慢慢被冰覆盖的窗户拍照。如果你不考虑这些冰，你的照片看起来会比实际更暗。
解决方法： 团队开发了一种巧妙的数学技巧，用来计算窗户上有多少“冰”，并对其进行了修正。他们发现，虽然 J 波段的窗口基本保持清晰，但 H 波段的窗口结了霜，如果不进行修正，这会让天空看起来比实际更亮。

5. 为什么这很重要

这篇论文是第一次绘制出 Dome A 天空亮度随季节变化的连续、长期的图谱。

更多的观测时间： 由于 Dome A 的天空在更高的太阳角度下就会变暗，因此与中纬度观测站相比，它能提供多出 25–35% 的可用红外观测时长。
稳定性： 一旦太阳落下，Dome A 的天空会保持惊人的稳定，不像其他地方的天空亮度可能会剧烈波动。

总结：
Dome A 是一个“超暗”的红外天文观测点。它提供了更长的夜晚和非常稳定的背景，但团队提醒说，他们所做的具体测量是在太阳处于“吵闹”时期的。如果我们想要看到最微弱的信号，我们可能需要等待太阳 11 年周期中更安静的时刻。但就目前而言，我们已经确切地知道了南极之夜到底有多黑。

技术摘要：多穹顶 A（Dome A）极昼至极夜期间的 J 和 H 波段天空亮度测量

问题与背景
近红外（NIR）天空亮度是评估地面红外天文台性能的关键参数，因为它直接限制了探测灵敏度和光度精度。虽然南极高原已被确立为红外天文学中最暗的地面观测站之一，但对多穹顶 A 近红外天空背景的连续监测仍然缺乏。以往在多穹顶 A 的研究受限于短期的观测窗口、仅限白天的测量或特定时期（例如太阳活动极小期），未能表征 J 和 H 波段天空背景在从极昼向极夜过渡过程中的连续演化。此外，太阳周期对该特定地点近红外背景的影响也尚未得到量化。

方法论
本研究利用了 2023 年安装在多穹顶 A 的南极红外双筒望远镜（AIRBT）的数据。该望远镜配备了两个 InGaAs 检测器，在 2024 年 2 月至 5 月期间进行了连续的固定指向观测，涵盖了 J 和 H 波段。该观测时段覆盖了广泛的太阳高度角，实现了从极昼末期（太阳高度角 $\sim$ 19.6 $^\circ$ ）到极夜初期（太阳高度角 $\sim$ −25.1 $^\circ$ ）的过渡。

关键方法步骤包括：

数据采集： 采用自动化图像采集，曝光时间通常设定为 2 秒，以在提高效率与防止恒星拖尾之间取得平衡，确保在不同照明条件下图像均不饱和。
暗电流校正： 由于缺乏现场暗帧，实验室测得的暗电流通过“热像素缩放法”进行重新缩放，以匹配观测期间观察到的检测器温度变化（范围从 −45.4 $^\circ$ C 到 −62.9 $^\circ$ C）。
光度定标： 通过与 2MASS 星表交叉匹配推导零点。为了减轻因入口窗结霜导致的透过率损失（对 H 波段的影响比 J 波段更严重），作者采用了基于前几个晴朗夜晚中值值的“清晰零点”，而非实时零点。
分析： 天空亮度作为太阳高度角的函数进行计算。研究根据数据的黎明分支定义了黄昏至黑夜的边界，以避免在黄昏分支中发现的不对称性。

关键结果

天空亮度水平： 在白天，J 波段和 H 波段的观测中值亮度分别为 5.2 mag arcsec $^{-2}$ 和 2.9 mag arcsec $^{-2}$ 。在极夜期间，黑夜期间的中值天空亮度在 J 波段为 15.3 mag arcsec $^{-2}$ ，在 H 波段为 13.4 mag arcsec $^{-2}$ 。
黄昏边界： 在 J 波段，向稳定黑夜过渡的太阳高度角为 −9.3 $^\circ$ $\pm$ 0.3 $^\circ$ ；在 H 波段为 −7.4 $^\circ$ $\pm$ 0.3 $^\circ$ 。这些边界比之前在多穹顶 A 得到的结果更低（更暗），这可能是由于定义差异以及太阳周期的阶段所致。
极夜对比常规周期： 在相同的太阳高度角下，极夜期间的近红外天空背景比常规昼夜交替期间大约暗 0.1 mag arcsec $^{-2}$ （J 波段）和 0.4 mag arcsec $^{-2}$ （H 波段）。
稳定性： 一旦该站点进入黑夜，多穹顶 A 的近红外天空背景会迅速稳定，并且比中纬度站点（如毛纳基亚）更加稳定，后者在日落后仍会持续下降数小时。
太阳周期相关性： 在极夜期间，H 波段天空亮度与太阳黑子数表现出显著的相关性（Spearman 秩相关系数 $r_s = -0.795$ ），表明观测到的亮度受到太阳活动的影响。J 波段的相关性较弱（ $r_s = -0.337$ ）。未发现与地磁活动（Kp 指数）有显著依赖关系。
观测时间： 多穹顶 A 每年提供约 3219 小时的 J 波段和 3493 小时的 H 波段黑夜观测时间，这比光学（i 波段）观测时间增加了 25–35%。

意义与主张
作者声称这些结果提供了对多穹顶 A 近红外天空亮度的首次季节性表征，揭示了极地与非极地环境之间的系统性差异。其主要结论是，由于本次观测是在接近太阳极大期时进行的，因此测得的天空亮度值可能偏高，而以往的南极测量是在太阳极小期进行的。这强调了跨越太阳周期进行长期监测以建立准确基准的必要性。研究证实，多穹顶 A 提供了极其稳定且黑暗的近红外条件，特别是在极夜期间，使其成为比中纬度站点进行深空近红外成像和高精度时域天文学观测的优越地点。该数据也可作为未来在不同太阳周期阶段进行对比测量的参考。

1. 任务目标：观察光辉的变化

2. 结果：这里有多暗？

3. 与“太阳黑子”的联系

4. “霜冻”问题

5. 为什么这很重要

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