國家重大科學工程LAMOST項目

國家重大科學工程項目“大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡”(LAMOST)

 

國家重大科學工程項目“大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡”(LAMOST)

 

 

 

 

LAMOST光路示意圖

 

 

 

   LAMOST項目的基本思想是要作空前的大規模光譜觀測,改變國際上獲得有縫光譜的天體數目實在太少的狀態。這是一架視場為5度橫臥于南北方向的中星儀式的主動光學反射施密特望遠鏡,它的光學系統包括:5.72米×4.4米的反射施密特改正鏡MA(由24塊六角形平面子鏡拼接而成),6.67米×6.05米的球面主鏡MB(由37塊球面子鏡拼接而成)和焦面三大部分。其中MA在觀測天體的過程中隨著時間的改變可實時地變化成需要的非球面面形。隨觀測天區變化的等效圓通光口徑是3.6-4.9米,焦面上有可自動定位的4000根光纖,連接16臺光譜儀,可同時觀測多至4000個天體的光譜。LAMOST通過采用中星儀式主動光學反射施密特系統,特別是首先在國際上將主動光學用來產生一個傳統方法不能得到的光學系統,解決了世界上大視場望遠鏡不能同時兼有大口徑的難題。

   LAMOST項目于1997年4月由國家計委批準項目建議書,計劃投資2.35億元,2001年8月正式開工建設。歷經科研團隊10多年的艱辛努力,2008年10月,LAMOST項目在國家天文臺興隆觀測基地勝利落成,并于2009年6月通過了國家竣工驗收,現已進入調試運行階段。

   LAMOST是我國最大的光學望遠鏡,世界上最大口徑的大視場望遠鏡、也是世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。其研制成功使我國的主動光學技術和大規模光譜觀測技術處于世界領先地位。

 

 

有關問答:

 

 

  為什么要建 LAMOST 望遠鏡?

天體光譜中蘊涵著豐富的物理信息,有助于人類認識天體的性狀和行為,而大量天體光學光譜的獲取正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。但由 “ 成像巡天 ” 記錄下的數以百億計的天文目標中,只有很小一部分(約萬分之一)進行過有縫光譜測量。要提高光譜觀測的效率,首先需要具有能夠觀測多個天體光譜的技術;同時還必須具備兩個條件:一是望遠鏡的視場必須足夠大; 二是望遠鏡的口徑也要足夠大。

  天文望遠鏡從口徑和視場上可大致分為兩種:一種是大口徑望遠鏡,其視場很難做大,主要用于天體的細節觀測;另一種是大視場望遠鏡,視場可達幾度,可同時觀測到很多天體,用作巡天觀測,但口徑卻很難做大,因此很難觀測到暗弱的天體。 “ 大視場兼備大口徑 ” 是長期以來天文望遠鏡技術的一個難題,也是眾多天文學家迫切希望解決的問題。

上世紀九十年代,我國著名天文學家王綬 琯 院士和蘇定強院士以其深厚的積累、巧妙的構思提出的大視場與大口徑兼備的天文望遠鏡新概念及 LAMOST 的初步方案,不但突破天文研究中光譜觀測 “ 大視場兼備大口徑 ” 的這一 “ 瓶頸 ” , 而且 LAMOST 建成后將成為國際上最具威力的、天體光譜獲取率最高的光譜巡天望遠鏡,滿足了國際天文界對大樣本多目標光譜觀測的迫切需求。

 

   LAMOST是一架什么樣的望遠鏡?

   簡要回答 : LAMOST 項目是一架完全由我國自主創新設計、在技術上極具挑戰性的新型的大視場兼備大口徑的光學天文望遠鏡。在多項技術上走在國際前列,是有望在天文學領域獲得世界矚目科學成就的國家重大科學工程。

   LAMOST 是一架橫臥于南北方向的中星儀式的主動光學反射施密特望遠鏡。其視場為 5 度(相近口徑的常規天文望遠鏡視場小于 1 度)。光學系統包括:口徑 5.7 米 ×4.4 米的反射施密特改正鏡 MA( 由 24 塊六角形平面子鏡拼接而成 ) ,口徑 6.7 米 ×6 米的球面主鏡 MB( 由 37 塊球面子鏡拼接而成 ) 和直徑 1.75 米的焦面三大部分。其中改正鏡 MA 在觀測天體的過程中隨著時間的改變可實時地變化成需要的非球面面形。焦面上有可自動定位的 4000 根光纖,連接 16 臺光譜儀,一次觀測最多可同時獲得 4000 個天體光譜。

   詳細回答 : LAMOST 望遠鏡是一架橫臥于南北方向的中星儀式裝置,望遠鏡的球面主鏡及焦面固定在地基上,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,其長鏡筒無需跟蹤旋轉;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制造,也使得安裝有 4000 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旋轉。反射施密特改正板采用地平式機架跟蹤,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,以適應臺址緯度,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 。反射施密特改正板應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于一身,不僅用于校正望遠鏡的安裝誤差、加工誤差和重力變形,更主要的是用于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 度視場范圍內有優良的像質。相應于 5 度視場,直徑為 1.75 米的焦面上放置 4000 根光纖。采用并行可控的光纖定位技術,可在較短的時間里將光纖按星表位置精確定位,并提供了光纖位置微調的功能。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 成為大視場兼大口徑光學望遠鏡的世界之最。 LAMOST 在 1.5 小時曝光時間內以 1 納米的光譜分辨率可以觀測到 20.5 等的暗弱天體的光譜;由于它相應于 5 度視場的直徑 1.75 米焦面上可以放置 4000 根光纖,連接到 16 臺光譜儀上,一次觀測最多可獲得 4000 個天體的光譜,成為世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。

 

  

   LAMOST建設過程中攻克了哪些關鍵技術難關? 

   ?  主動光學技術;

   ?  4000 根光纖定位技術;

   ?  大口徑六角形、超薄光學鏡面的磨制和檢測;

   ?  大口徑超薄鏡面的高精度支撐技術;

   ?  8 米地平式機架的精確跟蹤控制 ( 包括象場旋轉補償 );

   ?  多目標光纖光譜儀和 CCD 相機;

   ?  40 米光路上氣流影響的改善;

   ?  海量數據處理等。

   (以上藍色字為南京天光所承擔研制)

 

   LAMOST是如何建成的?

   九十年代初,中國科學院院士、著名天文學家王綬 琯 和蘇定強根據國際天文學發展現狀和我國的實際情況,針對 國際天文界對大樣本多目標光譜觀測的迫切需求, 前瞻性的提出了涉及天文和天體物理學諸多前沿問題的大視場天文學,建造有中國特色的國際一流天文設備 ―― 大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡( LAMOST )初步 方案。創造性地將 40 多米長的鏡筒固定,并用主動光學技術來實時產生非球面面形不斷變化的高精度鏡面,使得大口徑的大視場望遠鏡成為可能,以其巧妙的創新概念突破了國際上半個世紀以來光學望遠鏡大口徑和大視場難以兼備的瓶頸。后 經崔向群、褚耀泉、王亞男進一步的研究細化和論證,形成了 LAMOST 的具體方案。 LAMOST 項目 于 1996 年列為國家重大科學工程項目, 1997 年 4 月原國家計委批復項目建議書, 1997 年 8 月 29 日原國家計委批復項目可行性研究報告。 2001 年 8 月原國家計委批準開工建設。

  LAMOST 這一優秀的設計方案變為現實并非一步之遙。 為了實現 LAMOST 的創新思想,研制中必須攻克大量的世界級技術難題:首次在一塊大鏡面上同時應用薄變形鏡面主動光學技術和拼接鏡面主動光學技術(控制鏡面面形精度達頭發絲的數千分之一);首次在世界上實現六角形的主動可變形鏡 ; 首次在世界上在一個光學系統中同時采用兩塊大口徑的拼接鏡面;首次在世界上應用 4000 根光纖的定位技術(目前同類設備僅 640 根光纖)。 這些都是開世界天文技術歷史之先河。 8 米高精度大型地平式跟蹤機架、多目標光纖光譜技術、海量數據處理等均屬世界前沿技術,掌握的國家屈指可數。鑒于項目涉及多項高難度的技術挑戰,曾有專家擔心 LAMOST 的創新方案很難付諸實現。

  1994 年 2 月正在歐洲南方天文臺參加 VLT 望遠鏡研制的主動光學專家崔向群為了 LAMOST 的建設,毅然攜全家回國,全身心地投入到了 LAMOST 的工作中。 LAMOST 立項后,擔任總工程師,領導了整個 LAMOST 望遠鏡的研制。

  1998 年 4 月在南京天文光學技術研究所,開始了 LAMOST 核心關鍵技術 ——1 米口徑六角形薄鏡面主動光學技術的攻關。這項技術的成功與否直接決定了 LAMOST 的成敗,經過 2400 多個日日夜夜的奮力拼搏,克服了力促動器及控制系統、波前傳感器、主動支撐、精密跟蹤、大氣視寧度改善、因鋼墊膠結等一系列技術難關,于 2004 年 11 月取得突破性的進展,獲得成功。

  拼接鏡面主動光學技術也是 LAMOST 核心關鍵技術之一,在南京天文光學技術研究所,項目技術人員克服試驗條件簡陋、環境條件受限等困難,想方設法改善 40 米長光路的氣流和振動的影響,于 2006 年 4 月取得了拼接試驗的成功,精度優于 LAMOST 技術要求。

  LAMOST 另一項關鍵技術 —— 光纖定位技術, 4000 根光纖快速精確定位難度可想而知,中國科學技術大學原創性地提出了分小區的光纖定位思想和方案,經科大師生多年的努力,克服設計、加工制造、檢測等困難,采用無線遙控先進技術,攻克了 8000 個電機控制線過多等難題,于 2008 年 6 月完成興隆現場安裝調試。

  六邊形的施密特改正鏡 MA 子鏡對角線為 1.1 米、厚度僅為 25 毫米,面形精度要求高。研制這樣高精度、大口徑的超薄鏡面,國內無先例,國際上也只有極少數國家的個別公司具備這樣的能力。該項技術是 LAMOST 項目的主要難點之一,從 2004 年 4 月開始南京天文光學技術研究所從精心改造和提高環拋機性能著手,逐一攻克了環拋磨制、高精度檢測、檢測支撐等工藝和技術難關,于 2006 年 12 月成功地研制出全部 30 塊子鏡,技術指標均優于技術要求。

  

   LAMOST 關鍵部件之一 ——8 米直徑高精度精密轉臺,由于精度要求高,以當時國內的工業基礎條件在研制上有很大的技術和工藝困難, LAMOST 技術人員進行了精心的設計和優化,跑遍大半個中國對加工制造廠家充分調研后確定加工單位,并與加工單位一起克服了多項工藝難關,于 2004 年 4 月完成了加工制造;克服了超大、超重件的運輸、吊裝困難,于 2005 年 10 月完成了興隆現場安裝。

  還有 16 臺光譜儀的設計制造、 32 臺 CCD 相機的研制、 MA 桁架研制、 MB 桁架研制、 4000 根光纖的制作、異形圓頂設計與制造、波前檢測裝置的研制、光電導星系統的研制、輸入星表和光譜抽取軟件開發等工作,均遭遇了諸多困難。但 LAMOST 項目全體人員以不畏艱難、 堅毅執著、勇攀高峰的精神, 在總工程師崔向群等的帶領下,歷經多少個滴水成冰和烈日炎炎的歲月, 創造性地攻克了所有技術難關,為 LAMOST 的建成做出了決定性的貢獻。

   LAMOST 于 2006 年 6 月完成 “ 小系統 ” 調試驗收; 2008 年 8 月完成全部安裝、調試, LAMOST 這一宏大的具有世界前沿水平的大科學工程勝利建成。2009年6月正式通過國家竣工驗收。

  

   LAMOST在國際眾多望遠鏡中占據什么地位?

   LAMOST 的創新方案突破了國際上望遠鏡大視場與大口徑不能兼得的瓶頸,是國際上口徑最大的大視場望遠鏡和光譜獲取率最高的望遠鏡。 LAMOST 將使人類觀測天體光譜的數目提高一個數量級(至千萬量級)。

  LAMOST 創造了一種嶄新的望遠鏡類型 , 被國際上譽為 “ 建造地面大視場大口徑望遠鏡最好的方案 ” 。

  國際評價:

  “LAMOST 將會有非常好的科學產出。望遠鏡一定能夠在河外天文學與銀河系天文學方面產生世界級的研究成果,并會完善和補充現有的以及未來其他天文設備的科學產出。 ” “LAMOST 將會是一個適合于研究廣泛領域中重大天體物理問題的世界級巡天設備。鑒于其集光面積和光纖數目, LAMOST 潛在的功能將比 SDSS 數字巡天和 2dF 高出 10 到 15 倍。如果能達到了這樣高的指標,它將是一個巨大的飛越,并打開了一個廣闊的 ‘ 探索空間 ' 。 ” “LAMOST 獨一無二地結合了為數眾多的光纖、大視場以及大口徑望遠鏡幾個方面的優勢,從而一定能夠在下個十年中的光譜巡天方面處于領先的地位。這一設備將使中國天文學家在銀河系和河外星系天文學等領域獲中得無與倫比的科學研究機會。 ” ( ―― 摘自 LAMOST 項目國際評估委員會報告( 2005 年 5 月 30 日 —6 月 2 日,南京,北京)

  國際著名的天文學家、芝加哥大學的 Don. York 教授在接受美國《科學》雜志采訪時說: “ 由于 LAMOST 令人畏懼的技術挑戰,并不是每個中國的科學家都是傾心于 LAMOST ,但我是 LAMOST 的粉絲 ” 。

  主動光學發明人、歐洲南方天文臺國際著名天文望遠鏡光學專家 Ray Wilson 評價: “ 我對 LAMOST 有非常高的評價。 LAMOST 不僅是唯一能使 Schmidt 望遠鏡的口徑增大的途徑,而且是主動光學的最先進和非凡的應用。 ” “LAMOST 的成功,不但將是中國科技的勝利,也將是整個國際天文界的勝利。 ” “ 實現大口徑施密特望遠鏡的唯一途徑是采用反射施密特改正鏡。但是沒有人敢走反射施密特這樣一個技術上十分困難的途徑,直到中國南京的光學專家提出 LAMOST 。 ” “ LAMOST 包括了最先進的現代望遠鏡技術的每一個方面。應該祝賀中國支持了這樣一個偉大的技術,以及鼓勵和成長了這樣一只杰出的光學隊伍,他們實現了 LAMOST ,并將中國的望遠鏡技術水平推進到世界頂峰的前沿。 ”

  美國加州理工學院技術研究所天文學部的斯蒂爾教授、光學天文臺臺長,曾任英國劍橋大學天文研究所所長的 Richard Ellis 教授 2008 年 10 月 16 日在 LAMOST 落成典禮上的講話中說: “ 多目標光纖光譜儀已有悠久的歷史了,但是大約 1970 年才應用在大望遠鏡上。我第一次知道 LAMOST 項目是 1994 年我在英國的劍橋大學時,中國天文學家來訪問,報告了他們提出的非常令人興奮的雄心勃勃的計劃- LAMOST 。當時英國正在做 2dF 紅移巡天計劃,該項目在 AAO 的 4 米望遠鏡上同時有 400 根光纖觀測。 2dF 巡天在宇宙空間的發現成果讓我印象深刻,可以和美國的 SDSS 巡天相媲美。但是它顯示了光譜觀測在天文研究中的如此大的價值。我認為,光譜是天文研究中最重要的一個方面。有些人沒有注意到,過去的 5 年中許多成像巡天望遠鏡的開始投入使用,比如 PanStarrs, 暗能量巡天望遠鏡, UK 的 VISTA 紅外巡天望遠鏡等,這些成像望遠鏡花費了巨大的投資。但是我們還是不斷地意識到,我們需要光譜信息才能深入研究天體?,F在中國天文界在大視場光譜巡天方面占據了強有力的位置,足以讓國際天文同行嫉妒中國可以充分利用這些新的成像巡天觀測結果。我完全確信,我曾經是在這樣一個專門的研討會中,中國天文在那里崛起,提出與國際天文界一起挑戰極其重要的合作冒險經歷。 ”

  

  

   與國際望遠鏡的比較:

1 )研制規模和技術難度的比較( LAMOST 8-10 米望遠鏡相當)

內容

Keck

VLT

LAMOST

鏡面面積(直徑)

10m

8m

7.8m

最大鏡面

10m

8m

6.7m×6m

拼接子鏡

36 塊
( 可見共焦,紅外共相)

37+24 塊
(可見共焦,紅外共相預留)

變形鏡面

1×8m

24×1.1m

主動光學難度

僅拼接

僅變形

變形 + 拼接

接鏡面

拼一塊

兩塊

地平式機架能力

10m

8m

7-8m

多目標光纖

100 根

4000 根

光譜儀

若干

若干

16 臺

CCD

若干

若干

32 臺

2 LAMOST 光譜觀測能力與國際上光譜巡天計劃比較

名 稱
指 標

2dF
(英澳)

SDSS
(美國)

LAMOST
(中國)

口徑

3.9 米

2.5 米

3.6 米 ~ 4.9 米

視場

2 度

3 度

5 度

光纖數

400 根

640 根

4000 根

獲得光譜數

100 , 000 條

1 , 000 , 000 條

10 , 000 , 000 條

狀態

完成

運行

建成

 

 

 

  

   LAMOST對中國天文有何意義?

   LAMOST 是我國最大的光學望遠鏡,是國際上口徑最大的大視場望遠鏡和光譜獲取率最高的望遠鏡。 LAMOST 研制規模與國際上 8-10 米級光學望遠鏡相當,其核心關鍵技術更具創新性,處于國際領先水平。 LAMOST 以其中國原創的新概念和新方法,極具創新的技術和工藝,代表了我國大型光學精密儀器的最高水平,是我國科技領域自主創新的典范,是我國天文技術發展的里程碑。 LAMOST 的建成,實現了中國天文技術的跨越式發展, 為我國研制巨型望遠鏡奠定了堅實的基礎,使我 國躋身于國際天文技術前沿,成為世界上少數幾個具備自主研制巨型望遠鏡能力的國家之一。   LAMOST 的建成,使人類觀測天體光譜的數目提高一個數量級(至千萬量級),奠定了我國在大視場多目標光纖光譜觀測能力方面的國際領先地位。 LAMOST 將對上千萬個星系、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做出重大貢獻。對大量恒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,諸如恒星、星族和銀河系的結構、運動學及化學等的研究上做出重大貢獻。結合紅外、射電、 X 射線、伽瑪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做出重大貢獻。

 

(完)

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