大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡

大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡

大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡(Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopy Telescope,LAMOST)是一架橫臥南北方向的中星儀式反射施密特望遠鏡。套用主動光學技術控制反射改正板,使它成為大口徑兼大視場光學望遠鏡的世界之最。由於它的大口徑,在曝光1.5小時內可以觀測到暗達20.5等的天體。而由於它的大視場,在焦面上可以放置四千根光纖,將遙遠天體的光分別傳輸到多台光譜儀中,同時獲得它們的光譜,成為世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。它將安放在國家天文台興隆觀測站。項目投資2.35億元。它將成為我國天文學在大規模光學光譜觀測中,在大視場天文學研究上,居於國際領先的地位。

項目提出

我國天文界經過多年的努力建設了以2.16米、1.56米光學望遠鏡、1.26米紅外望遠鏡、太陽磁場和多通道望遠鏡、13.7米毫米波、米波綜合孔徑、以及甚長基線干涉射電望遠鏡為代表的天文學實測基礎,有力地促進了我國天文研究的開展,提高了我國天文學在國際上的地位。
為了天文事業的進一步發展,我國天文界分析了當代天文和天體物理學的發展趨勢、中國天文學的現狀,並結合我國當前社會發展的需要和可能性,提出了“大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡 (LAMOST)”項目,建議列入“九五”期間國家重大科學工程計畫。它瞄準了涉及天文和天體物理學中諸多前沿問題的大視場天文學,抓住大規模光學光譜開拓的可貴機遇,以新穎的構思、巧妙的設計實現了光學望遠鏡大口徑兼備大視場的突破。隨著項目建設在二十一世紀初的完成,它將使我國天文學在大規模光學光譜觀測、在大視場天文學研究上,在國際上居於領先地位。
該項目由中國科學院院士王綬琯、蘇定強為首的研究集體建議,得到了天文界廣泛的支持,由中國科學院提出,經過反覆論證,於1996年列為國家重大科學工程項目,1997年4月得到國家計委關於項目建議書的批覆,1997年8月29日得到國家計委關於項目可行性研究報告的批覆。目前正在進行項目初步設計。
LAMOST是一台橫臥於南北方向的中星儀式反射施密特望遠鏡。如圖所示,它由在北端的反射施密特改正板MA、在南端的球面主鏡MB和在中間的焦面構成。球面主鏡及焦面固定在地基上,反射施密特改正板作為定天鏡跟蹤天體的運動,望遠鏡在天體經過中天前後時進行觀測。天體的光經MA反射到MB,再經MB反射後成像在焦面上。焦面上放置的光纖,將天體的光分別傳輸到光譜儀的狹縫上,然後通過光譜儀後的CCD探測器同時獲得大量天體的光譜。
LAMOST望遠鏡LAMOST望遠鏡

結構

橫臥於南北方向的中星儀式裝置,將望遠鏡的球面主鏡及焦面固定在地基上,而由反射施密特改正板進行跟蹤,使大視場的施密特望遠鏡增大口徑所需的長焦距成為可能,其長鏡筒無需跟蹤鏇轉;同時簡化了尺寸最大的球面主鏡及其支撐結構部分的設計和製造,也使得安放有許多根光纖的大焦面可以不必像通常的望遠鏡那樣隨著鏡筒一起鏇轉。反射施密特改正板採用地平式機架跟蹤,也簡化了結構和圓頂尺寸。望遠鏡南端略高,使其光軸與地平成25度角,以適應台址緯度,可觀測天區的赤緯從-10度到+90度。 球面主鏡大小為6.67米 6.05米,曲率半徑40米,由37塊對角線長1.1米,厚度為75毫米的六角形球面子鏡組成。反射施密特改正板處在主鏡球心,大小為5.72米 4.40米,由24塊對角線長1.1米,厚度為25毫米的六角形平面子鏡組成。望遠鏡有效通光口徑4米,觀測低赤緯天區時略大,觀測高赤緯天區時略小。焦距為20米,相應的焦比為5。反射施密特改正板套用既有控制拼鏡面的共面,又有控制單塊薄鏡面的非球面面形的主動光學新技術。它將兩種主動光學技術集於一身,不僅用於校正望遠鏡的安裝誤差、加工誤差和重力變形,更主要的是用於校正球面主鏡的球差,達到施密特望遠鏡具有的大視場。這個系統在直徑5度視場範圍內有優良的像質,視場邊緣的最大像斑為1.77角秒。相應於5度視場,直徑為1.75米的焦面上放置4000根光纖。採用並行可控的光纖定位技術,可在較短的時間裡將光纖按星表位置精確定位,並提供了光纖位置微調的可能。這將在光纖定位技術上突破目前世界上同時定位640根光纖的技術。通過這樣的構思和設計,解決了大視場的施密特望遠鏡透射改正板很難做大,大口徑反射望遠鏡視場較小的問題,使LAMOST成為大口徑兼大視場光學望遠鏡的世界之最。由於它的4米口徑,在1.5小時曝光時間內以1納米的光譜解析度可以觀測到20.5等的暗弱天體的光譜;由於它相應於5度視場的1.75米焦面上可以放置數千根光纖,連線到多台光譜儀上,同時獲得4000個天體的光譜,成為世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。
光學光譜包含著遙遠天體豐富的物理信息,大量天體光學光譜的獲取是涉及天文和天體物理學諸多前沿問題的大視場、大樣本天文學研究的關鍵。但是,迄今由成像巡天記錄下來的數以百億計的各類天體中,只有很小的一部分(約萬分之一)進行過光譜觀測。LAMOST作為天體光譜獲取率最高的望遠鏡,將突破天文研究中光譜觀測的這一“瓶頸”,成為最具威力的光譜巡天望遠鏡,是進行大視場、大樣本天文學研究的有力工具。 LAMOST對上千萬個星系、類星體等河外天體的光譜巡天,將在河外天體物理和宇宙學的研究上,諸如星系、類星體和宇宙大尺度結構等的研究上作出重大貢獻。對大量恆星等河內天體的光譜巡天將在河內天體物理和銀河系的研究上,諸如恆星、星族和銀河系的結構、運動學及化學等的研究上作出重大貢獻。結合紅外、射電、X射線、γ射線巡天的大量天體的光譜觀測將在各類天體多波段交叉證認上作出重大貢獻。
望遠鏡將安放在中國科學院北京天文台興隆觀測站。投資2.35億元人民幣,建設周期7年,2004年底開光觀測。建成後將作為國家設備,向全國天文界開放,並積極開展國際合作。

項目科學技術委員會委員

王綬琯 項目科學技術委員會主任
蘇定強 項目科學技術委員會委員
陳建生 項目科學技術委員會委員
朱能鴻 項目科學技術委員會委員
王大珩 項目科學技術委員會委員
雷天覺 項目科學技術委員會委員
唐九華 項目科學技術委員會委員
蘇洪鈞 項目科技委員會副主任

科學目標

三大核心課題:
LAMOST的科學目標河外光譜巡天——宇宙大尺度結構
恆星光譜巡天——銀河繫結構等
天體多波段交叉證認
幾個跨世紀時期的重大課題,如:大天區範圍星系紅移完備樣本測量;類星體侯選體證認和紅移測量;成批活動星系核,星系的高、中分辯率光譜測量;射電源,紅外源,X射線源的證認和後隨測量;“依巴谷衛星”三角觀差及高自行恆星的光譜測量;特紅恆星的光譜測量等等,當能說明其重要的科學價值和巨大的課題容量,以及其帶動研究、帶動隊伍的作用。

子系統

LOMAST的六角形球面鏡LAMOST工程分為七個子系統:光學系統;主動光學和支撐系統;機架和跟蹤裝置;望遠鏡控制系統;焦面儀器;圓頂;數據處理和計算機集成。 

自動化的觀測與處理軟體

LAMOST 每夜將觀測上萬個天體的光譜,其數據量是數京位元組;而總的計畫是觀測上千萬條光譜。因此LAMOST應該是一個全自動地進行觀測運行和數據處理的系統,以最有效地獲得觀測數據和取得最大的科學成果。為此目的,LAMOST設計了一套完整的自動化觀測與處理的軟體,其中主要包括巡天戰略系統(SSS)、觀測控制系統(OCS)和數據處理系統(DPS)。

光學系統

光學系統由在南端的球面主鏡MB 、在北端的反射施密特改正鏡MA構成,焦面在中間。兩鏡分別由37塊和24塊子鏡拼接而成。系統在大視場內有優良的成像質量。MA 作為定天鏡跟蹤天體的運動,望遠鏡在天體中天前後進行觀測。其光軸南高北低,以適應台址緯度,擴大觀測天區。

主動光學和支撐系統

為了改正球面主鏡 MB 的球差等,觀測時需要實時變化改正鏡 MA 的非球面面形,該系統通過結合薄鏡面和拼鏡面主動光學技術使24塊薄平面子鏡按要求變形,並使各子鏡共焦。同時,通過拼鏡面主動光學技術使 MB的37塊球面子鏡共焦。這是LAMOST項目的主要技術創新點和關鍵技術。

主動光學試驗裝置

為了成功地將有特色的主動光學技術運用於本項目,在南京建立了主動光學實驗裝置,以進行有關該關鍵技術的各項試驗。目前正在進行之中。

機架與跟蹤系統

LAMOST 是一架準中星儀式的望遠鏡,由於它的球面主鏡MB是固定的,對天體的指向跟蹤運動完全由MA 擔任。 MA採用地平式機架,其指向和跟蹤由方位和高度兩個方向鏇轉實現。觀測主要在子午面附近進行。整個跟蹤運動過程較緩慢且運動速度變化較少。採用靜壓軸承,方位用摩擦驅動,高度用粗、細兩套驅動系統並用帶狀碼盤測角。相應地焦面也要鏇轉,需有像場鏇轉補償機構。另外還有調焦機構等。

望遠鏡控制系統

望遠鏡控制系統包括超低速、高精度的跟蹤指向控制(其中有MA的高度角和方位角驅動,以及焦面板的像場鏇轉),上千個力促動器實時控制(要求回響快,精度高),實時準確的故障診斷和實時的環境監測和報警等。本控制系統的設計採用當代控制理論和技術,具有分布性、實時性、可靠性和擴展性。  

焦面儀器

望遠鏡收集來自天體的微弱輻射,成像在焦面上,然後通過焦面儀器進行分光、探測和記錄。焦面儀器是 LAMOST 直接獲取天體光譜信息的部分。包括:光纖定位裝置、光纖、光譜儀和探測器等幾個主要部分。

望遠鏡圓頂結構

由於LAMOST的創新特點,其望遠鏡建築不同於一般天文望遠鏡的圓頂。它由MA 樓、MB樓和焦面儀器樓三部分組成。 MA 的圓頂圍擋為一帶球冠的圓柱形,上部可向東西移開。焦面到MB 圍擋為一臥式長通道,開有百葉窗。觀測時圓頂應減少風對MA的影響,並時光路中溫度均勻,不惡化自然的大氣視寧度

大事記

LAMOST建成1993年4月,以王綬琯、蘇定強為首的研究集體提出LAMOST項目,建議作為中國天文重大觀測設備。
1994年12月~1995年6月,在中國天文學會、中科院數理學部、中國科學院、國家科委、國家計委先後組織的多次評議和評審中LAMOST項目一直位居前列。
1996年6月,國家計委、國家科委組織兩院院士對國家重大科學工程進行評審,LAMOST位居前列。
1996年7月,國家科技領導小組決策啟動國家重大科學工程計畫,LAMOST列入首批啟動項目。
1996年10月,中國科學院成立國家重大科學工程“大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”項目工程指揮部、項目科學技術委員會、項目管理委員會。
1997年4月,國家計畫委員會批覆《LAMOST項目建議書》。
1997年8月,國家計畫委員會批覆《LAMOST項目可行性研究報告》。
1999年6月,中國科學院受國家發展計畫委員會委託批覆《LAMOST項目初步設計與概算》。
2001年8月,國家發展計畫委員會批准LAMOST項目開工報告,項目正式進入施工階段。
2004年6月,LAMOST觀測樓在國家天文台興隆觀測站開工建設。
2004年12月,關鍵技術預研究項目—“大口徑主動光學實驗望遠鏡裝置”通過驗收和鑑定。
2005年6月,中國科學院組織國際著名專家對LAMOST項目進行了中期評估。
2005年9月,LAMOST項目首件大型設備(8米機架底座)在興隆觀測站成功吊裝,開始了項目主體設備安裝。
2005年12月,在國家天文台興隆觀測站安全順利地完成了反射施密特改正鏡(MA)機架、焦面機構和球面主鏡(MB)桁架三大部套的安裝,項目全面進入現場安裝調試。
2007年6月,LAMOST完成3米口徑的鏡面、250根光纖的定位系統、1台光譜儀及2台CCD相機(被稱為“小系統”)以及完整的望遠鏡地平式機架、焦面機架、跟蹤和控制系統的裝調,達到望遠鏡設計的光學指標,並獲得天體光譜。
2008年8月,望遠鏡全部硬體(24塊Ma子鏡、37塊Mb子鏡、4000個光纖定位單元、4000根光纖、16台光譜儀、32台CCD相機)安裝到位。
2008年10月,LAMOST落成典禮在國家天文台興隆觀測基地舉行。
2009年6月4日,LAMOST順利通過國家驗收。

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