《科技创新与品牌》杂志社科学前沿

LAMOST望远镜

★ LAMOST开创了一种新的望远镜类型(大视场兼大口径望远镜)
★ 打破了大视场望远镜不能兼有大口径的瓶颈
★ 被国际上誉为“建造地面高效率的大口径望远镜最好的方案”

LAMOST示意图LAMOST示意图


        多年来,我国天文界建设了以2.16米、1.56米光学望远镜、1.26米红外望远镜、太阳磁场和多通道望远镜、13.7米毫米波、米波综合孔径、以及甚长基线干涉射电望远镜为代表的天文学实测基础设施,有力地促进了我国天文研究的开展,提高了我国天文学在国际上的地位。LAMOST项目于1996年列为国家重大科学工程项目,1997年4月得到国家计委关于项目建议书的批复,1997年8月得到国家计委关于项目可行性研究报告的批复,2001年8月国家计委下达开工通知。该项目是一架我国自主创新设计、在技术上非常有挑战性的大型光学望远镜,在多项技术和科学上走在国际前沿,是有望获得世界瞩目科学成就的国家重大科学工程。

        LAMOST望远镜

        大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(简称LAMOST)是一架横卧南北方向的中星仪式反射施密特望远镜,因为主动光学技术的应用,使其成为大口径兼大视场光学望远镜的世界之最(主镜口径等效圆直径为6米)。由于它的大口径,在曝光1.5小时内可以观测到暗达20.5等的天体。而由于它的大视场,在焦面上可以放置4000根光纤,将遥远天体的光分别传输到多台光谱仪中,同时获得它们的光谱,成为世界上光谱获取率最高的望远镜,其观测能力是目前世界同类望远镜的15倍。
        LAMOST拥有多项国际前沿水平的技术创新,如:拼接镜面主动光学技术及在一个光学系统中同时采用两块大拼接镜面(37块1.1米六角形子镜拼接成6.67米×6.58米的主镜,以及24块1.1米六角形子镜拼接成的5.72米×4.4米反射施密特改正镜);在观测中实时在一块大镜面上同时实现应用拼接和可变形镜面主动光学技术;六角形可变形镜面主动控制和波前检测技术;4000根光纤单元在焦面上的精确定位;多目标光纤光谱技术;海量数据处理技术;大视场与大口径兼备等。
        LAMOST望远镜由北端的反射施密特改正板MA、南端的球面主镜MB和中间的焦面构成。球面主镜及焦面固定在地基上,反射施密特改正板作为定天镜跟踪天体的运动,望远镜在天体经过中天前后时进行观测。天体的光经MA反射到MB,再经MB反射后成像在焦面上。焦面上放置的光纤,将天体的光分别传输到光谱仪的狭缝上,然后通过光谱仪后的CCD探测器同时获得大量天体的光谱。
        LAMOST工程分为七个子系统:光学系统;主动光学和支撑系统;机架和跟踪装置;望远镜控制系统;焦面仪器;圆顶;数据处理和计算机集成。该项目由中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所为主研制,总投资约2.35亿元,将于2008年建成投入使用。建成后将安放在国家天文台兴隆观测站,作为国家设备,向全国天文界开放,并积极开展国际合作。LAMOST将成为我国在大规模光学光谱观测中,在大视场天文学研究上,居于国际领先地位的大科学装置。


LAMOST望远镜LAMOST望远镜


        进入安装调试阶段

        2005年12月24日,LAMOST的反射施密特改正镜(MA)机架、球面主镜(MB)桁架和焦面机构三大部套的安装在兴隆观测站顺利完成,各项指标均达到设计要求。这标志着LAMOST项目全面进入现场安装调试阶段。
        MA机架的主要作用是在观测过程中使LAMOST望远镜精确地跟踪天体,同时支撑5.7米×4.4米(由24块六角形子镜拼接而成)的施密特改正镜MA及其桁架结构。近8米直径的高精度方位转台是LAMOST望远镜中最大的高精度的运动部件,测试结果表明,径向跳动小于0.04毫米;轴向跳动小于0.02毫米;回转重复精度优于0.03角秒。
        MB桁架是LAMOST望远镜中体积最大的构件,装配完成后的空间尺寸为:7.28×6×8.6米,用于支撑长6.67米、宽6.05米(由37块六角形球面子镜拼接而成)的球面主镜MB及镜室,同时承担整体的五个自由度的微量调节,桁架部分由镜室桁架和支架组成,全部采用了螺栓节点的设计,镜室桁架的顶层表面为半径40.375米球面的37个切平面和安装节点。测试结果表明,37中心节点最大误差小于1.8毫米,优于设计指标。
        焦面机构用于支撑直径为1.75米装有4000根光纤及光纤定位机构的球冠形焦面板,并能带动焦面板作象场旋转补偿和精确调焦,为了镜面面形检测需要,还要能够方便的移出、移进光路并精确定位。是LAMOST望远镜中运动自由度最多的机构。测试结果表明,旋转定位重复精度小于0.92角秒;旋转跟踪精度小于O.45角秒;调焦重复精度小于0.002毫米,优于设计指标。

        获得首条天体光谱

        2007年5月28日的凌晨3点,正在调试中的LAMOST喜获首条天体光谱。随着调试的进展,LAMOST不断地获得越来越多的天体光谱,如,6月18日获120多条天体光谱。LAMOST开始产出光谱,标志着其各个子系统(望远镜光学和主动光学、跟踪控制、光纤、光谱仪)已全部联通并达到要求的技术指标。
        光学光谱包含着遥远天体丰富的物理信息,大量天体光学光谱的获取是涉及天文和天体物理学诸多前沿问题的大视场、大样本天文学研究的关键。但是,迄今由成像巡天记录下来的数以百亿计的各类天体中,只有很小的一部分(约万分之一)进行过光谱观测。LAMOST作为天体光谱获取率最高的望远镜,将突破天文研究中光谱观测的这一“瓶颈”,成为最具威力的光谱巡天望远镜,是进行大视场、大样本天文学研究的有力工具,将使人类观测天体光谱的数目提高一个数量级(至千万量级), 使我国在大视场多目标光纤光谱观测方面处于国际领先地位。LAMOST对上千万个星系、类星体等河外天体的光谱巡天,将在河外天体物理和宇宙学的研究上,诸如星系、类星体和宇宙大尺度结构等的研究上作出重大贡献。对大量恒星等河内天体的光谱巡天将在河内天体物理和银河系的研究上,诸如恒星、星族和银河系的结构、运动学及化学等的研究上作出重大贡献。结合红外、射电、X射线、γ射线巡天的大量天体的光谱观测将在各类天体多波段交叉证认上作出重大贡献。

        小系统顺利通过验收

        LAMOST的“小系统”包括3米口径的镜面,250根光纤和一台光谱仪,以及LAMOST完整的机架、跟踪和控制系统。2007年6月29日“LAMOST小系统验收会”在北京隆重召开。验收会上,专家们一致认为:“LAMOST小系统的光学质量完全达到了指标要求-星像的80%光能量集中在2角秒直径的圆内,3度视场内具有良好的星像;小系统的多目标光纤光谱系统基本达到预定目标,系统工作正常;望远镜、光纤、光谱仪和CCD相机所组成的观测系统,集成情况良好;LAMOST小系统的任务已经完成。LAMOST小系统的成功是该项工程建设中的一个重要里程碑。小系统的研制成功标志着项目建设的所有关键技术难点已被攻克,尤其是国际领先的薄镜面及拼接镜面的主动光学技术和并行可控式光纤两项新技术的成功,为项目建设的全面成功铺平了道路。
        LAMOST开创了一种新的望远镜类型(大视场兼大口径望远镜),打破了大视场望远镜不能兼有大口径的瓶颈,被国际上誉为“建造地面高效率的大口径望远镜最好的方案”。LAMOST首次在世界上在一块大镜面上同时应用薄镜面(可变形镜面)主动光学技术和拼接镜面主动光学技术;首次在世界上实现六角形的主动可变形镜面;首次在世界上在一个光学系统中同时采用两块大口径的拼接镜面;首次在世界上应用4000根光纤的定位技术(目前同类设备仅640根光纤)。  
        LAMOST将对人类认识宇宙的起源、星系的形成与演化、银河系的结构、恒星的演化等诸多的研究领域作出重大的贡献。在建设LAMOST过程中发展起来的新技术大大的推动了我国在光学仪器的制造、精密机械、电子技术、海量数据处理等技术科学领域的发展,并为我国正在预研的下一代30-100米极大光学/红外望远镜,为我国的科研、生产和国防建设的发展提供可靠的技术储备。 也诚如2007年3月欧洲南方天文台42米极大光学红外望远镜的项目科学家和项目经理在国家天文台兴隆观测基地参观LAMOST后所说的那样,“中国已完全有能力独立研制极大望远镜”。
        LAMOST项目的建设,不仅是中国天文界也是国际天文界共同关注的焦点,承载着天文学家的期待和项目组全体成员的艰辛努力。小系统的完成并顺利通过验收,初战告捷,极大鼓舞了项目建设人员全面按时完成项目建设的信心。在未来的一年多时间里,LAMOST项目将在目前小系统的基础上将两块大镜面的子镜数扩展至24和37块,将光纤数扩展至4000根,将光谱仪数量扩展至16台,从而实现LAMOST项目的全面建成。