世界最大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡
全球最大的天文望遠(yuǎn)鏡之一TMT,于2011年在美國夏威夷莫納克亞山(MaunaKea)開工建設(shè),預(yù)計2018年建成投入使用,項目概算約為10億美元,美國、加拿大、日本等多個國家正式加入其中,中國和印度以觀察員身份參與。
TMT望遠(yuǎn)鏡是新一代地基巨型光學(xué)/紅外天文觀測設(shè)備,集光口徑為30米,工作在0.31-28納米波段。因此,TMT集成了當(dāng)代大口徑望遠(yuǎn)鏡最頂尖的高新技術(shù)。
記者了解到,除了資金參與,中國在鏡面、自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備以及其他機械設(shè)備等方面,都將參與這項計劃。國家天文臺南京天光所,聯(lián)合中科院長春光機所、光電所、理化所等單位,開展了該計劃中的多項核心技術(shù)的研發(fā)。
中科院國家天文臺臺長助理、TMT項目部經(jīng)理薛隨建介紹,國家天文臺聯(lián)合中科院有關(guān)院所承擔(dān)了TMT主光學(xué)系統(tǒng)、激光引導(dǎo)星系統(tǒng)、激光器系統(tǒng)等多項核心技術(shù)研發(fā)工作,為這個項目的推進(jìn)作出了重要貢獻(xiàn)。
TMT主鏡拼接精度要求極高,需達(dá)到光照上去看不到接縫的程度。中國通過2008年完成的LAMOST望遠(yuǎn)鏡項目,對此已有技術(shù)儲備。因此,國家天文臺南京天光所主要負(fù)責(zé)TMT主鏡子鏡單元高精度磨制技術(shù)的研發(fā),以及部分子鏡的加工任務(wù)。同時,國家天文臺南京天光所還參與了TMT“首光”科學(xué)儀器的設(shè)計研發(fā)工作。因為在TMT開始科學(xué)觀測的初期,將先安裝3臺“首光”設(shè)備,包括紅外成像攝譜儀、紅外多目標(biāo)攝譜儀和寬視場光學(xué)攝譜儀。這些設(shè)備能充分利用TMT的高靈敏度及高分辨率,提供前所未有的成像能力。
另外,TMT的光路結(jié)構(gòu)極具特色——來自遙遠(yuǎn)天體的星光先被具有主動光學(xué)功能的主鏡收集,匯聚到副鏡,再反射到可以360度轉(zhuǎn)動的第三鏡,最后被送入裝有自適應(yīng)光學(xué)矯正系統(tǒng)的科學(xué)儀器中。這種特殊的結(jié)構(gòu)使TMT在持續(xù)觀測、切換設(shè)備、更換子系統(tǒng)時更方便,幫助天文學(xué)家在更短時間內(nèi)進(jìn)行更多不同類型的觀測。中科院長春光機所則主要負(fù)責(zé)TMT第三鏡及其驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計、制造工作。而起著主要傳輸作用的第三鏡,在光學(xué)精度、機械精度等方面均面臨世界級挑戰(zhàn)。
因為大氣中存在湍流、密度分層等現(xiàn)象,會對觀測形成干擾,這就需要自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行矯正。所謂自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),就是通過向空中發(fā)射高能激光,在高空制造人工“導(dǎo)星”,并不斷對其檢測,再借助變形鏡高速精密的調(diào)整,使圖像清晰銳利。光電所則承擔(dān)了TMT激光導(dǎo)星子系統(tǒng)的設(shè)計制造。
帶動相關(guān)技術(shù)快速提升
中國科學(xué)家不僅為這個全球最大的天文望遠(yuǎn)鏡項目作出了重要貢獻(xiàn),通過這個項目,也使中國相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)水平得到快速提升。
此前很長時期,中國的天文望遠(yuǎn)鏡研究與國外有著一定的差距。
中國科學(xué)院國家天文臺首席科學(xué)家王俊杰告訴記者,十九世紀(jì)八十年代,國外已有1.8米級的天文望遠(yuǎn)鏡,而中國直到上世紀(jì)八十年代,才建成2米級的天文望遠(yuǎn)鏡,目前口徑最大的望遠(yuǎn)鏡,其有效口徑也才為4米,這也影響了國內(nèi)在天文觀測方面的研究,“沒有設(shè)備,沒法和別人競爭?!?/p>
同時,自主制造大口徑的望遠(yuǎn)鏡也面臨許多困難,一個是造價比較高,比如TMT項目投資超過10億美元;另外,在有些領(lǐng)域技術(shù)也達(dá)不到。因此,建立大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡需要多國合作,目前,國際上沒有其他國家在中國的臺址上建造大口徑望遠(yuǎn)鏡,因此出資參與國外的望遠(yuǎn)鏡項目也是選擇之一。
正是在考慮了多方面的情況后,2009年底中國科學(xué)院國家天文臺以觀察員身份正式加入國際三十米望遠(yuǎn)鏡項目(TMT),其后啟動了在這個全球最大的天文望遠(yuǎn)鏡項目上的科技合作。
如果中國最終能成為合作伙伴之一,當(dāng)TMT天文望遠(yuǎn)鏡建成后,中國將分享與實物貢獻(xiàn)成比例的TMT的觀測時間,獲得科學(xué)回報,并通過承擔(dān)TMT核心技術(shù)任務(wù),帶動相關(guān)高技術(shù)發(fā)展。
天文研究取得多項突破
在參與全球最大天文望遠(yuǎn)鏡項目核心技術(shù)研發(fā)的同時,近年來,國內(nèi)天文研究也取得了不俗的成績,建立了多個類型的天文臺,以進(jìn)行不同的研究。
王俊杰告訴記者,國內(nèi)目前最大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡就是郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST),安放在中國科學(xué)院國家天文臺興隆觀測站,這個觀測站地處燕山主峰南麓,海拔960米,其主要科學(xué)目標(biāo)是光學(xué)光譜巡天工作,于2008年10月落成。
2011年10月23日,LAMOST正式啟動先導(dǎo)巡天工作。其有效通光口徑為4米,視場角直徑為5度。在5度視場、直徑為1.75米的焦面上放置4000根光纖,可同時獲得4000個天體的光譜,使其成為世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。
王俊杰指出,LAMOST的建成,突破了天文望遠(yuǎn)鏡大視場與大口徑難以兼得的難題,成為目前國際上口徑最大的大視場望遠(yuǎn)鏡,是中國光學(xué)望遠(yuǎn)鏡研制的又一里程碑。不足之處主要在于目前的站址條件不能完全滿足觀測需要,主要表現(xiàn)在越來越多來自興隆縣城的燈光污染使得望遠(yuǎn)鏡工作上空的夜天光增強。此外,興隆的大氣視寧度也比以前變差。這些都對該望遠(yuǎn)鏡功能的展現(xiàn)造成了一定的影響。
另外,位于貴州“大窩凼”洼地的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST),是正在建造中的國家重大科學(xué)工程項目。它利用貴州喀斯特地區(qū)的洼坑作為望遠(yuǎn)鏡臺址,建造世界第一大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡,其擁有30個標(biāo)準(zhǔn)足球場大的接收面積。
王俊杰說,“大窩凼”洼地是喀斯特地貌所獨有的漏斗形天坑,就像一個天然的巨碗,剛好盛起望遠(yuǎn)鏡約20萬平方米的巨型反射面,建成后的望遠(yuǎn)鏡將會填滿整個山谷。FAST與被評為人類二十世紀(jì)十大工程之一的美國Arecibo 300米望遠(yuǎn)鏡相比,其綜合性能提高約10倍。作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡,F(xiàn)AST將在未來20到30年保持世界一流設(shè)備的地位。不過,王俊杰指出,F(xiàn)AST雖然口徑巨大,但畢竟是單一天線,不是多天線的干涉陣,因此,探測分辨率(分辨天體細(xì)節(jié)的能力)比不上有些干涉陣列射電望遠(yuǎn)鏡及甚長基線射電望遠(yuǎn)鏡。
而建于羊八井的天文觀測站是中國科學(xué)院國家天文臺建于西藏的第一個專業(yè)天文臺站,天文臺里的中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡(CCOSMA),是中國第一架可用于常規(guī)天文觀測的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡,也是目前北半球臺址海拔最高的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡。
CCOSMA是具有世界先進(jìn)水平的望遠(yuǎn)鏡,很多方面目前仍處于國際領(lǐng)先地位。它不僅可推動國內(nèi)天文界在亞毫米波天文學(xué)領(lǐng)域的研究,還可作為中國未來重大科學(xué)工程計劃中的大型亞毫米波望遠(yuǎn)鏡項目的試驗平臺及人才培養(yǎng)平臺。
王俊杰告訴記者,CCOSMA的優(yōu)勢在于接收束寬大,也就是視場大,非常適合巡天觀測,這是目前北半球其他亞毫米波望遠(yuǎn)鏡所不具備的。但CCOSMA也存在一定的不足,就是接收束寬大,分辨率較低,所以不能探測天體的精細(xì)結(jié)構(gòu)。