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中国造最“大”天文望远镜
• 2009-07-14 • 本刊记者 唐元恺
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国家天文台兴隆观测基建于xxxx年xx月,兴隆基地位于燕山主峰南麓,长城北侧,海拔960米,隶属于国家天文台光学开放实验室,是国家天文台恒星与星系光学天文观测基地,设有远东最大的2.16米光学望远镜(画面左下方,建于1989年10月),1.26米红外望远镜、60/90厘米施密特望远镜、85厘米反射望远镜、80厘米反射望远镜、60厘米反光望远镜。这里天文宁静度好,大气透明度好,每年有240-260光谱观测夜, 100-120测光观测夜。(王祥摄)

“LAMOST不仅是唯一能使‘折反射’望远镜的口径增大的途径,而且是主动光学的最先进和非凡的应用。”主动光学发明人、国际著名天文望远镜光学专家雷·威尔森说认为,LAMOST的成功,“不但是中国科技的胜利,也将是整个国际天文界的胜利。”

可望远镜的大口径,同时也意味着对镜片磨制技术的考验。加工整块6.67米×6.05米的主镜和5.72米×4.4米的改正镜,并非完全不可能,但造价却可能是“天文数字”了,尤其,可观的“体重”或许会使大镜面在重力的作用下“身材变形”而影响成像效果。化整为零,用厚度薄、面积小的镜面拼接成大镜面,是目前打造大型天文望远镜时常用的方法。但与其它采用镜面拼接技术的望远镜相比,LAMOST望远镜更胜一筹的是在世界上首次在一个光学系统中同时使用控制拼镜面的共面和控制单块薄镜面变形两种主动光学技术。它让LAMOST望远镜视场更大,成像质量更优。

小镜片拼接技术解决了大口径镜面的加工成本和易于形变等问题。科学家在每面小镜面背部都安装上驱动装置,通过调整它们的角度和方位,使构成主镜的小镜面在同一位置聚焦,构成改正镜小镜面位于同一平面。但是,由于望远镜的安装误差、加工误差、重力变形,尤其是球面主镜球差的影响,望远镜还是不能获得非常理想的图像。于是,科学家用波前检测器实时探测光波的畸变,根据计算使改正镜的24块薄平面子镜按要求变形,以修正不断变化的像差。

科学家将望远镜的主镜固定在地基上,改正镜放置在主镜北端,40米的长通道类似镜筒,望远镜的焦平面位于长通道内:在观测不同高度的天体时,只需调整改正镜角度,就能将从赤纬-10度到+90度的天体尽收眼底。光线经改正镜和主镜两次反射,最终在焦面成像。焦平面上放置的光纤,会将光线传输到光谱仪的狭缝上,并用CCD照相机记录下这些光谱。

“为了将来长远的发展,研究人员进行了技术改造,现在每台光谱仪还可增加中分辨率光栅以提高分辨率,达到惊人的 5000~10000倍的分辨率。”中国科学院南京天文光学技术研究所的王磊介绍道。

另外,为防止大气流动变化影响望远镜成像质量,望远镜的长通道上还开有百叶窗,以保证镜筒内外温度基本恒定。

 

“一眼”四千

LAMOST的“家”距北京城东北170公里,在长城北侧、河北省兴隆县的一座山上。这里也是中国科学院国家天文台的观测基地,平均每年270个晴朗夜空给LAMOST落户于此增加了重重的砝码。

而在LAMOST直径1.75米的成像焦面之上,密密麻麻地分布着4000根光纤探头,这相当于4000台望远镜同时工作,它们连接到十几台光谱仪上,一次观测可同时获得4000个天体的光谱。

“由于‘视神经’极其发达,LAMOST成了国际上光谱获取率最高的望远镜。”赵永恒很自豪。据了解,现有的多目标、多光纤望远镜如英澳的AAT望远镜(Anglo-Australian Telescope)一次可获取400条光谱,美国斯隆数字巡天SDSS望远镜(Sloan Digital Sky Survey)一次可获取640条光谱。

LAMOST创造性地使用了并行可控式光纤定位系统,而这也是它两大关键技术之一。“为了解决如何在焦面上高精度定位4000根光纤,我们整整花费了4年的时间。”崔向群总工程师透露。而正是因为攻克这些技术难关,才使原定1997年开工的LAMOST工程整整晚了4年。

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