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陈昱光:12米光学望远镜争议,应先看科学目标再看技术

游客 2017-08-07 16:18:50    201389 次浏览

中国天文学界正积极筹备建设一架口径12米的通用光学-红外天文望远镜 (LOT),近期围绕着12米望远镜的设计,国内天文界展开了激烈的讨论,也有很多科学家表达了自己的意见。特别是中国科学院院士陈建生一份4000多字的长信引爆了中国天文圈。

据《知识分子》报道,中国天文学界对于如何建造“12米望远镜”一事,分歧早已存在。陈建生和崔向群只不过是各自阵营的代表人物。他们的背后都有强力的支持者。

下文是一位青年天文工作者就12米光学红外望远镜设计方案谈的看法,观察者网获作者授权转载

首先,不谈科学目标就谈设计绝对是耍流氓,所以我们先看一下12米望远镜(以下简称 LOT)设计中,从国家层面、从科学层面都要实现什么样的目标。从国家层面,LOT 希望能够在“十三五”完成立项、2018年底开工。这里要交代一个背景,就是国际上的一批下一代30米级望远镜已经陆续开工建设,其中包括中国参与10%的三十米望远镜(TMT)。而目前世界上已存在的10米级望远镜(如下图)多达13台,其中最大的是加纳利大型望远镜(GTC),口径10.4米。国家希望建成12米望远镜,打出一个时间差,在30米级望远镜完工之前成为世界最大的光学/近红外望远镜。所以整个项目的时间确实非常紧。

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从科学层面上来讲。无论是在陈院士的信,还是在目前公开的多个文档中,都多次提到,LOT 应当以通用型望远镜为主(这是关键点之一)。原因是目前“十三五”规划项目中,已经有多个巡天项目。且世界范围内也有多个正在进行或正在建设的巡天项目。这些项目数据完全公开。举例来说,还有一个月左右就要初光的 Zwicky Transient Factory(ZTF)每晚会触发几十万个警报。在未来十年、二十年里,对重要的天体进行确认和后续观测,要比发现重要得多。我国地处东半球,而世界上大多数望远镜都位于西半球(如下图)。在同一地理经度上,完全无人可以与我们竞争。这使得我们可以在别人都是白天的时候进行观测。这对于瞬变源的后续观测至关重要。此外,目前国内最大的通用型望远镜为云南天文台的口径2.4米望远镜,在口径上落后国际水平上百年。建一台通用型望远镜对于弥补缺口意义极其重要。因此,LOT 和现在国际上已有的10米级望远镜科学目标差别不大,仅进行小范围的提升。

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已详细指明的科学目标包括(不分先后):1)早期宇宙中的恒星和星系、宇宙初光等;2)包括类星体、伽马射线暴在内的高能天体;3)引力波源对应体和瞬变源;4)系外行星。1需要望远镜能够观测到足够暗弱的天体,2的情况比较复杂,既需要观测暗弱天体,也需要和3一样具有快速响应的能力,4需要测量精度足够高、仪器稳定性好。科学目标确定之后我们再来看一下技术:首先来看一下3镜和4镜的光路图比较。

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4镜设计和3镜设计的不同在于在主镜(M1)后面:4镜在 M1 之后多加一个小镜子(M3),这导致 M2 需要做大、M4 需要开洞(另一个关键点)。

再科普一下几个焦点:

主焦点是由主镜直接反射形成的焦点。只跟 M1 有关系,跟后续光路关系不大。大型巡天项目很喜欢这个焦点(如日本的昴星团望远镜的 HSC,见下图),因为焦距短、视场巨大(可以到度的量级)。但是,一要移除 M2;二由于主焦畸变严重,要设计一系列透镜对主焦进行改造。

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卡焦在传统的3镜设计中是在望远镜后端。这个部分是要随着望远镜转动而跟着转的,而且不方便拆换,所以一般放小型的永久性仪器。大双筒望远镜在这儿放的是 MODS(如下图)。

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耐焦在望远镜的侧面,而且通常设计在和望远镜重心对齐的地方,也就是支撑望远镜,并控制望远镜俯仰的轴那里。这样可以在耐焦的位置建一个平台,安放大型仪器,而大型仪器不需要跟随望远镜俯仰调整位置,只要跟着望远镜底部调整方位的平台一起转就行(如下图所示)。这里不仅可以放一个仪器,左右两侧至少可以放两个,每侧平台添加一些镜面的话还可以额外分层。

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那么为什么要设计成4镜呢?

实际上站得住脚的原因只有一个:多加一面镜子多一层改正。在耐焦平台上,成像质量会更好。像质主要体现在两个方面。1)视场大,在15角分的大小(约为一个月面半径,耐焦由于经过镜面很多,焦距被拉的很长,所以视场都在角分量级)上,4镜的设计可以达到0.1角秒的成像质量,而3镜只能达到0.25角秒左右。2)场曲小,减小后端仪器的制造难度。

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