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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。這是一架視場爲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台光譜儀,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産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项目于1997年4月由国家计委批准项目建议书,计划投资2.35亿元,2001年8月正式开工建设。历经科研团队10多年的艰辛努力,2008年10月,LAMOST项目在国家天文台兴隆观测基地胜利落成,并于2009年6月通过了国家竣工验收,现已进入调试運行阶段。

   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:

 

 

  为什么要建 LAMOST 望远镜?

天体光谱中蕴涵着丰富的物理信息,有助于人类认识天体的性状和行为,而大量天体光学光谱的获取正是涉及天文和天体物理学诸多前沿问题的大視場、大样本天文学研究的关键。但由 “ 成像巡天 ” 记录下的数以百亿计的天文目标中,只有很小一部分(约万分之一)进行过有缝光谱测量。要提高光谱观测的效率,首先需要具有能够观测多个天体光谱的技术;同时还必须具备两个条件:一是望远镜的視場必须足够大; 二是望远镜的口徑也要足够大。

  天文望远镜从口徑和視場上可大致分为两种:一种是大口徑望远镜,其視場很难做大,主要用于天体的细节观测;另一种是大視場望远镜,視場可达几度,可同时观测到很多天体,用作巡天观测,但口徑却很难做大,因此很难观测到暗弱的天体。 “ 大視場兼备大口徑 ” 是长期以来天文望远镜技术的一个难题,也是众多天文学家迫切希望解决的问题。

上世纪九十年代,我国著名天文学家王绶 琯 院士和苏定强院士以其深厚的积累、巧妙的构思提出的大視場與大口徑兼备的天文望远镜新概念及 LAMOST 的初步方案,不但突破天文研究中光谱观测 “ 大視場兼备大口徑 ” 的这一 “ 瓶颈 ” , 而且 LAMOST 建成后将成为国际上最具威力的、天体光谱获取率最高的光谱巡天望远镜,满足了国际天文界对大样本多目标光谱观测的迫切需求。

 

   LAMOST是一架什么样的望远镜?

   简要回答 : LAMOST 项目是一架完全由我国自主创新设计、在技术上极具挑战性的新型的大視場兼备大口徑的光学天文望远镜。在多项技术上走在国际前列,是有望在天文学领域获得世界瞩目科学成就的国家重大科学工程。

   LAMOST 是一架横卧于南北方向的中星仪式的主动光学反射施密特望远镜。其視場为 5 度(相近口徑的常规天文望远镜視場小于 1 度)。光学系统包括:口徑 5.7 米 ×4.4 米的反射施密特改正鏡 MA( 由 24 块六角形平面子镜拼接而成 ) ,口徑 6.7 米 ×6 米的球面主鏡 MB( 由 37 块球面子镜拼接而成 ) 和直径 1.75 米的焦面三大部分。其中改正镜 MA 在观测天体的过程中随着时间的改变可实时地变化成需要的非球面面形。焦面上有可自动定位的 4000 根光纖,連接 16 台光譜儀,一次观测最多可同时获得 4000 个天体光谱。

   详细回答 : LAMOST 望远镜是一架横卧于南北方向的中星仪式装置,望远镜的球面主镜及焦面固定在地基上,由反射施密特改正板进行跟踪,使大視場的施密特望远镜增大口徑所需的长焦距成为可能,其长镜筒無需跟踪旋转;同时简化了尺寸最大的球面主镜及其支撑结构部分的设计和制造,也使得安装有 4000 根光纤的大焦面可以不必像通常的望远镜那样随着镜筒一起旋转。反射施密特改正板采用地平式机架跟踪,简化了结构和圆顶尺寸。望远镜南端略高,使其光轴與地平成 25 度角,以适应台址纬度,可观测天区的赤纬从 -10 度到 +90 度。 球面主镜大小为 6.67 米 ×6.05 米,曲率半径 40 米,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。反射施密特改正板处在主镜球心,大小为 5.72 米 × 4.40 米,由 24 块对角线长 1.1 米 , 厚度为 25 毫米的六角形平面子镜组成。望远镜有效通光口徑 4 米,观测低赤纬天区时略大,观测高赤纬天区时略小。焦距为 20 米,相应的焦比为 5 。反射施密特改正板应用既有控制拼镜面的共面,又有控制单块薄镜面的非球面面形的主动光学新技术。它将两种主動光學技術集于一身,不仅用于校正望远镜的安装误差、加工误差和重力变形,更主要的是用于校正球面主镜的球差,达到施密特望远镜具有的大視場。这个系统在直径 5 度視場范围内有优良的像质。相应于 5 度視場,直径为 1.75 米的焦面上放置 4000 根光纤。采用并行可控的光纤定位技术,可在较短的时间里将光纤按星表位置精确定位,并提供了光纤位置微调的功能。这将在光纤定位技术上突破目前世界上同时定位 640 根光纤的技术。通过这样的构思和设计,解决了大視場的施密特望远镜透射改正板很难做大,大口徑反射望远镜視場较小的问题,使 LAMOST 成为大視場兼大口徑光学望远镜的世界之最。 LAMOST 在 1.5 小时曝光时间内以 1 纳米的光谱分辨率可以观测到 20.5 等的暗弱天体的光谱;由于它相应于 5 度視場的直径 1.75 米焦面上可以放置 4000 根光纖,連接到 16 台光譜儀上,一次观测最多可获得 4000 个天体的光谱,成为世界上光谱获取率最高的望远镜。

 

  

   LAMOST建设过程中攻克了哪些关键技术难关? 

   ?  主動光學技術

   ?  4000 根光纤定位技术;

   ?  大口徑六角形、超薄光學鏡面的磨制和檢測;

   ?  大口徑超薄镜面的高精度支撑技术;

   ?  8 米地平式机架的精确跟踪控制 ( 包括象场旋转补偿 );

   ?  多目標光纖光譜儀和 CCD 相机;

   ?  40 米光路上气流影响的改善;

   ?  海量数据处理等。

   (以上蓝色字为南京天光所承担研制)

 

   LAMOST是如何建成的?

   九十年代初,中国科学院院士、著名天文学家王绶 琯 和苏定强根据国际天文学发展现状和我国的实际情况,针对 国际天文界对大样本多目标光谱观测的迫切需求, 前瞻性的提出了涉及天文和天体物理学诸多前沿问题的大視場天文学,建造有中国特色的国际一流天文设备 ―― 大天区面积多目標光纖光谱望远镜( LAMOST )初步 方案。创造性地将 40 多米长的镜筒固定,并用主動光學技術来实时产生非球面面形不断变化的高精度镜面,使得大口徑的大視場望远镜成为可能,以其巧妙的创新概念突破了国际上半个世纪以来光学望远镜大口徑和大視場难以兼备的瓶颈。后 经崔向群、褚耀泉、王亚男进一步的研究细化和论证,形成了 LAMOST 的具体方案。 LAMOST 项目 于 1996 年列为国家重大科学工程项目, 1997 年 4 月原国家计委批复项目建议书, 1997 年 8 月 29 日原国家计委批复项目可行性研究报告。 2001 年 8 月原国家计委批准开工建设。

  LAMOST 这一优秀的设计方案变为现实并非一步之遥。 为了实现 LAMOST 的创新思想,研制中必须攻克大量的世界级技术难题:首次在一块大镜面上同时应用薄變形鏡面主動光學技術和拼接鏡面主動光學技術(控制镜面面形精度达头发丝的数千分之一);首次在世界上实现六角形的主动可变形镜 ; 首次在世界上在一个光学系统中同时采用兩塊大口徑的拼接鏡面;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)。 这些都是开世界天文技术历史之先河。 8 米高精度大型地平式跟踪机架、多目標光纖光谱技术、海量数据处理等均属世界前沿技术,掌握的国家屈指可数。鉴于项目涉及多项高难度的技术挑战,曾有专家担心 LAMOST 的创新方案很难付诸实现。

  1994 年 2 月正在歐洲南方天文台参加 VLT 望远镜研制的主动光学专家崔向群为了 LAMOST 的建设,毅然携全家回国,全身心地投入到了 LAMOST 的工作中。 LAMOST 立项后,担任总工程师,领导了整个 LAMOST 望远镜的研制。

  1998 年 4 月在南京天文光学技术研究所,开始了 LAMOST 核心关键技术 ——1 米口徑六角形薄镜面主動光學技術的攻关。这项技术的成功與否直接决定了 LAMOST 的成败,经过 2400 多个日日夜夜的奋力拼搏,克服了力促动器及控制系统、波前传感器、主动支撑、精密跟踪、大气视宁度改善、因钢垫胶结等一系列技术难关,于 2004 年 11 月取得突破性的进展,获得成功。

  拼接鏡面主動光學技術也是 LAMOST 核心关键技术之一,在南京天文光学技术研究所,项目技术人员克服试验条件简陋、环境条件受限等困难,想方设法改善 40 米长光路的气流和振动的影响,于 2006 年 4 月取得了拼接试验的成功,精度优于 LAMOST 技术要求。

  LAMOST 另一项关键技术 —— 光纤定位技术, 4000 根光纤快速精确定位难度可想而知,中国科学技术大学原创性地提出了分小区的光纤定位思想和方案,经科大师生多年的努力,克服设计、加工制造、检测等困难,采用無线遥控先进技术,攻克了 8000 个电机控制线过多等难题,于 2008 年 6 月完成兴隆现场安装调试。

  六边形的施密特改正镜 MA 子镜对角线为 1.1 米、厚度仅为 25 毫米,面形精度要求高。研制这样高精度、大口徑的超薄镜面,国内無先例,国际上也只有极少数国家的个别公司具备这样的能力。该项技术是 LAMOST 项目的主要难点之一,从 2004 年 4 月开始南京天文光学技术研究所从精心改造和提高环抛机性能着手,逐一攻克了环抛磨制、高精度检测、检测支撑等工艺和技术难关,于 2006 年 12 月成功地研制出全部 30 块子镜,技术指标均优于技术要求。

  

   LAMOST 关键部件之一 ——8 米直径高精度精密转台,由于精度要求高,以当时国内的工业基础条件在研制上有很大的技术和工艺困难, LAMOST 技术人员进行了精心的设计和优化,跑遍大半个中国对加工制造厂家充分调研后确定加工单位,并與加工单位一起克服了多项工艺难关,于 2004 年 4 月完成了加工制造;克服了超大、超重件的运输、吊装困难,于 2005 年 10 月完成了兴隆现场安装。

  还有 16 台光譜儀的设计制造、 32 台 CCD 相机的研制、 MA 桁架研制、 MB 桁架研制、 4000 根光纤的制作、异形圆顶设计與制造、波前检测装置的研制、光电导星系统的研制、输入星表和光谱抽取软件开发等工作,均遭遇了诸多困难。但 LAMOST 项目全体人员以不畏艰难、 坚毅执着、勇攀高峰的精神, 在总工程师崔向群等的带领下,历经多少个滴水成冰和烈日炎炎的岁月, 创造性地攻克了所有技术难关,为 LAMOST 的建成做出了决定性的贡献。

   LAMOST 于 2006 年 6 月完成 “ 小系统 ” 调试验收; 2008 年 8 月完成全部安装、调试, LAMOST 这一宏大的具有世界前沿水平的大科学工程胜利建成。2009年6月正式通过国家竣工验收。

  

   LAMOST在国际众多望远镜中占据什么地位?

   LAMOST 的创新方案突破了国际上望远镜大視場與大口徑不能兼得的瓶颈,是国际上口徑最大的大視場望远镜和光谱获取率最高的望远镜。 LAMOST 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)。

  LAMOST 创造了一种崭新的望远镜类型 , 被国际上誉为 “ 建造地面大視場大口徑望远镜最好的方案 ” 。

  國際評價:

  “LAMOST 将会有非常好的科学产出。望远镜一定能够在河外天文学與银河系天文学方面产生世界级的研究成果,并会完善和补充现有的以及未来其他天文设备的科学产出。 ” “LAMOST 将会是一个适合于研究广泛领域中重大天体物理问题的世界级巡天设备。鉴于其集光面积和光纖數目, LAMOST 潜在的功能将比 SDSS 数字巡天和 2dF 高出 10 到 15 倍。如果能达到了这样高的指标,它将是一个巨大的飞越,并打开了一个广阔的 ‘ 探索空间 ' 。 ” “LAMOST 独一無二地结合了为数众多的光纤、大視場以及大口徑望远镜几个方面的优势,从而一定能够在下个十年中的光谱巡天方面处于领先的地位。这一设备将使中国天文学家在银河系和河外星系天文学等领域获中得無與伦比的科学研究机会。 ” ( ―― 摘自 LAMOST 项目国际评估委员会报告( 2005 年 5 月 30 日 —6 月 2 日,南京,北京)

  國際著名的天文学家、芝加哥大学的 Don. York 教授在接受美国《科学》杂志采访时说: “ 由于 LAMOST 令人畏惧的技术挑战,并不是每个中国的科学家都是倾心于 LAMOST ,但我是 LAMOST 的粉丝 ” 。

  主动光学发明人、歐洲南方天文台国际著名天文望远镜光学专家 Ray Wilson 評價: “ 我对 LAMOST 有非常高的评价。 LAMOST 不仅是唯一能使 Schmidt 望远镜的口徑增大的途径,而且是主动光学的最先进和非凡的应用。 ” “LAMOST 的成功,不但将是中国科技的胜利,也将是整个国际天文界的胜利。 ” “ 实现大口徑施密特望远镜的唯一途径是采用反射施密特改正镜。但是没有人敢走反射施密特这样一个技术上十分困难的途径,直到中国南京的光学专家提出 LAMOST 。 ” “ LAMOST 包括了最先进的现代望远镜技术的每一个方面。应该祝贺中国支持了这样一个伟大的技术,以及鼓励和成长了这样一只杰出的光学队伍,他们实现了 LAMOST ,并将中国的望远镜技术水平推进到世界顶峰的前沿。 ”

  美国加州理工学院技术研究所天文学部的斯蒂尔教授、光学天文台台长,曾任英国剑桥大学天文研究所所长的 Richard Ellis 教授 2008 年 10 月 16 日在 LAMOST 落成典礼上的讲话中说: “ 多目標光纖光譜儀已有悠久的历史了,但是大约 1970 年才应用在大望远镜上。我第一次知道 LAMOST 项目是 1994 年我在英国的剑桥大学时,中国天文学家来访问,报告了他们提出的非常令人兴奋的雄心勃勃的计划- LAMOST 。当时英国正在做 2dF 红移巡天计划,该项目在 AAO 的 4 米望远镜上同时有 400 根光纤观测。 2dF 巡天在宇宙空间的发现成果让我印象深刻,可以和美国的 SDSS 巡天相媲美。但是它显示了光谱观测在天文研究中的如此大的价值。我认为,光谱是天文研究中最重要的一个方面。有些人没有注意到,过去的 5 年中许多成像巡天望远镜的开始投入使用,比如 PanStarrs, 暗能量巡天望远镜, UK 的 VISTA 红外巡天望远镜等,这些成像望远镜花费了巨大的投资。但是我们还是不断地意识到,我们需要光谱信息才能深入研究天体。现在中国天文界在大視場光谱巡天方面占据了强有力的位置,足以让国际天文同行嫉妒中国可以充分利用这些新的成像巡天观测结果。我完全确信,我曾经是在这样一个专门的研讨会中,中国天文在那里崛起,提出與国际天文界一起挑战极其重要的合作冒险经历。 ”

  

  

   與国际望远镜的比较:

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 块
( 可见共焦,红外共相)

37+24 块
(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

变形 + 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

若幹

若幹

16 台

CCD

若幹

若幹

32 台

2 LAMOST 光谱观测能力與国际上光谱巡天计划比较

名 称
指 标

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 条

1 , 000 , 000 条

10 , 000 , 000 条

狀態

完成

運行

建成

 

 

 

  

   LAMOST对中国天文有何意义?

   LAMOST 是我国最大的光学望远镜,是国际上口徑最大的大視場望远镜和光谱获取率最高的望远镜。 LAMOST 研制规模與国际上 8-10 米级光学望远镜相当,其核心关键技术更具创新性,处于国际领先水平。 LAMOST 以其中国原创的新概念和新方法,极具创新的技术和工艺,代表了我国大型光学精密仪器的最高水平,是我国科技领域自主创新的典范,是我国天文技术发展的里程碑。 LAMOST 的建成,实现了中国天文技术的跨越式发展, 为我国研制巨型望远镜奠定了坚实的基础,使我 国跻身于国际天文技术前沿,成为世界上少数几个具备自主研制巨型望远镜能力的国家之一。   LAMOST 的建成,使人类观测天体光谱的数目提高一个数量级(至千万量级),奠定了我国在大視場多目標光纖光谱观测能力方面的国际领先地位。 LAMOST 将对上千万个星系、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做出重大贡献。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做出重大贡献。结合红外、射电、 X 射线、伽玛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做出重大贡献。

 

(完)