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中国造最“大”天文望远镜
· 时间: 2009-07-14 · 本刊记者 唐元恺

 

2009年6月4日,中国架起世界光谱望远镜之王,参观者在观看望远镜部分设备。

若想巡天普查,首先需要具备能够观测多个天体光谱的技术,同时还必须拥有既能看得“深”、又能看得“广”的光谱观测望远镜。要做到“深”,望远镜必须有足够大的口径(相当于照相机的焦距),以测量到足够暗、足够远、足够多的天文目标;要做到“广”,望远镜必须有足够宽的视场(相当于相机的广角),以满足大片天区中各类样本的观测。可问题恰恰是——大口径很难兼备大视场,此乃一对难以调和的矛盾。目前的天文望远镜,主要用于天体细节观测的大口径,其视场很难做大;同样,可同时巡天观测很多天体的大视场,其口径却也很难做大(以至于难以观测到暗弱的天体)。受观测手段与技术、设备、材料和制作工艺的限制,迄今为止,由“成像巡天”记录下的数以百亿计的天体中,人们只对其中的约万分之一做过光谱测量。

“50多年以来,制约大天区天文观测的瓶颈一直没有得到解决。”LAMOST项目总工程师、中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所所长崔向群研究员说。而科学家们也始终在寻求破解“大视场大口径相互难以兼备”这一困扰着整个天文界的国际性难题的钥匙与能够建造出两者“和谐”的天文望远镜的方法,直到LAMOST才算告一段落。“此后,除了资金的限制之外,这种类型的望远镜将来可以做得更大。”赵永恒研究员表示。

 

突围“瓶颈”

LAMOST这一大科学工程,从设计、研制到最终完工,用了近16年时间。

在它之前,中国成功研制了自己最大的光学望远镜(口径为2.16米)。早在上世纪80年代,中国科学院院士王绶琯和苏定强等著名天文学家敏锐觉察到国际天文界对大样本光谱观测的迫切需求,在考虑下一步的天文大设备研制时提出了“大视场与大口径兼备”天文望远镜的新概念和LAMOST的初步方案,并在全国天文界提出的10余项方案评选中脱颖而出。后经崔向群、褚耀泉等专家进一步的研究细化和论证,形成了LAMOST的具体方案。

这个方案独创性地将40多米长的镜筒固定,并应用“主动光学技术”(在观测过程中内置的光学修正部件对像质进行自动调整,镜面可控,实时变化)来实时产生不断变化的高精度镜面,从而使得大口径的大视场望远镜成为可能,突破了国际上光学望远镜大口径和大视场难以兼备的瓶颈。

1994年,崔研究员和褚教授在英国剑桥大学举行的一个天文学国际会议上报告了LAMOST科学思想和方案。“此次会议是LAMOST在国际上产生反响的开始。”崔向群回忆,LAMOST前瞻性的科学思想和创新的方案得到了国际天文学界的赞许,当然也有专家质疑,甚至断定“很难搞出来”或“做不出来”。这些却更让中国的科学家们坚定了“必须拿出来”的信心和决心。

国家科学技术领导小组于1996年在全国启动了“重大科学工程计划”,LAMOST于1997年由当时的国家计划委员会批准立项。

“从工程开始,LAMOST的设计者和领导者就是科学家与技术专家的有机结合。”崔向群总工程师说,考虑到将来的运行,项目立项时就推荐了当时还很年轻的天文学家到工程指挥部做项目负责人。

而将设计方案变为现实,科学家们则必须越过一道道世界级的技术难关。“搞LAMOST这样的项目需要‘敢死队’!”苏定强院士对曾是自己学生的崔向群如是说。而芝加哥大学的堂·约克教授则用“令人畏惧”来形容LAMOST所面临的种种高难度的技术挑战。

LAMOST造价2.35亿元人民币(还不及一些城市1000米地铁的投资)。这位总面积20平方米的“大家伙”由50米长的钢筋混凝土巨型“镜筒”和口径6.67米×6.05米的主镜和5.72米×4.4米的改正镜组成,其焦距达到20米。前者由37块对角线长1.1米、厚度为75毫米的六角形球面子镜组成;后者由24块对角线长1.1米、厚度为25毫米的六边形平面反射子镜拼接而成,可以任意变幻镜面形状,甚至能神奇地凹凸变形。这些核心组件,采用的是中国人开创、全球独一无二的镜面自动拼接兼具变形高难度技术。自1998年4月起,南京天文光学技术研究所开始了这一直接决定着LAMOST成败的关键技术的攻关。在经过2400多个日日夜夜,克服了一系列难关以后,“闯关”于2004年11月大获成功。随之,其它的一项项关键技术陆续获得突破,最后在2008年8月完成LAMOST全部的安装、调试。

大口径赋予了LAMOST超群的观测能力,意味着科学家可以用它刺探天体所包含的更细致、深邃的信息。据介绍,如果连续曝光1.5小时,它能记录下比天狼星暗上无数倍的恒星。“她不怕‘暗星’。”崔总工程师说,目前LAMOST可以观测到20.5星等的天体。“20.5星等的天体极其暗弱,肉眼可见的最暗星也比它明亮50万倍。”

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