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從資金到技術全面參與
全球最大的天文望遠鏡之一TMT,於2011年在美國夏威夷莫納克亞山(MaunaKea)開工建設,預計2018年建成投入使用,項目概算約爲10億美元,美國、加拿大、日本等多個國家正式加入其中,中國和印度以觀察員身份參與。
TMT望遠鏡是新一代地基巨型光學/紅外天文觀測設備,集光口徑爲30米,工作在0.31-28納米波段。因此,TMT集成了當代大口徑望遠鏡最頂尖的高新技術。
記者瞭解到,除了資金參與,中國在鏡面、自適應光學設備以及其他機械設備等方面,都將參與這項計劃。國家天文臺南京天光所,聯合中科院長春光機所、光電所、理化所等單位,開展了該計劃中的多項核心技術的研發。
中科院國家天文臺臺長助理、TMT項目部經理薛隨建介紹,國家天文臺聯合中科院有關院所承擔了TMT主光學系統、激光引導星系統、激光器系統等多項核心技術研發工作,爲這個項目的推進作出了重要貢獻。
TMT主鏡拼接精度要求極高,需達到光照上去看不到接縫的程度。中國通過2008年完成的LAMOST望遠鏡項目,對此已有技術儲備。因此,國家天文臺南京天光所主要負責TMT主鏡子鏡單元高精度磨製技術的研發,以及部分子鏡的加工任務。同時,國家天文臺南京天光所還參與了TMT“首光”科學儀器的設計研發工作。因爲在TMT開始科學觀測的初期,將先安裝3臺“首光”設備,包括紅外成像攝譜儀、紅外多目標攝譜儀和寬視場光學攝譜儀。這些設備能充分利用TMT的高靈敏度及高分辨率,提供前所未有的成像能力。
另外,TMT的光路結構極具特色——來自遙遠天體的星光先被具有主動光學功能的主鏡收集,匯聚到副鏡,再反射到可以360度轉動的第三鏡,最後被送入裝有自適應光學矯正系統的科學儀器中。這種特殊的結構使TMT在持續觀測、切換設備、更換子系統時更方便,幫助天文學家在更短時間內進行更多不同類型的觀測。中科院長春光機所則主要負責TMT第三鏡及其驅動機構的設計、製造工作。而起着主要傳輸作用的第三鏡,在光學精度、機械精度等方面均面臨世界級挑戰。
因爲大氣中存在湍流、密度分層等現象,會對觀測形成干擾,這就需要自適應光學系統進行矯正。所謂自適應光學系統,就是通過向空中發射高能激光,在高空製造人工“導星”,並不斷對其檢測,再借助變形鏡高速精密的調整,使圖像清晰銳利。光電所則承擔了TMT激光導星子系統的設計製造。
帶動相關技術快速提升
中國科學家不僅爲這個全球最大的天文望遠鏡項目作出了重要貢獻,通過這個項目,也使中國相關領域內的技術水平得到快速提升。
此前很長時期,中國的天文望遠鏡研究與國外有着一定的差距。
中國科學院國家天文臺首席科學家王俊傑告訴記者,十九世紀八十年代,國外已有1.8米級的天文望遠鏡,而中國直到上世紀八十年代,才建成2米級的天文望遠鏡,目前口徑最大的望遠鏡,其有效口徑也才爲4米,這也影響了國內在天文觀測方面的研究,“沒有設備,沒法和別人競爭。”
同時,自主製造大口徑的望遠鏡也面臨許多困難,一個是造價比較高,比如TMT項目投資超過10億美元;另外,在有些領域技術也達不到。因此,建立大口徑光學望遠鏡需要多國合作,目前,國際上沒有其他國家在中國的臺址上建造大口徑望遠鏡,因此出資參與國外的望遠鏡項目也是選擇之一。
正是在考慮了多方面的情況後,2009年底中國科學院國家天文臺以觀察員身份正式加入國際三十米望遠鏡項目(TMT),其後啓動了在這個全球最大的天文望遠鏡項目上的科技合作。
如果中國最終能成爲合作伙伴之一,當TMT天文望遠鏡建成後,中國將分享與實物貢獻成比例的TMT的觀測時間,獲得科學回報,並通過承擔TMT核心技術任務,帶動相關高技術發展。
天文研究取得多項突破
在參與全球最大天文望遠鏡項目核心技術研發的同時,近年來,國內天文研究也取得了不俗的成績,建立了多個類型的天文臺,以進行不同的研究。
王俊傑告訴記者,國內目前最大口徑的光學望遠鏡就是郭守敬望遠鏡(LAMOST),安放在中國科學院國家天文臺興隆觀測站,這個觀測站地處燕山主峯南麓,海拔960米,其主要科學目標是光學光譜巡天工作,於2008年10月落成。
2011年10月23日,LAMOST正式啓動先導巡天工作。其有效通光口徑爲4米,視場角直徑爲5度。在5度視場、直徑爲1.75米的焦面上放置4000根光纖,可同時獲得4000個天體的光譜,使其成爲世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。
王俊傑指出,LAMOST的建成,突破了天文望遠鏡大視場與大口徑難以兼得的難題,成爲目前國際上口徑最大的大視場望遠鏡,是中國光學望遠鏡研製的又一里程碑。不足之處主要在於目前的站址條件不能完全滿足觀測需要,主要表現在越來越多來自興隆縣城的燈光污染使得望遠鏡工作上空的夜天光增強。此外,興隆的大氣視寧度也比以前變差。這些都對該望遠鏡功能的展現造成了一定的影響。
另外,位於貴州“大窩凼”窪地的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST),是正在建造中的國家重大科學工程項目。它利用貴州喀斯特地區的窪坑作爲望遠鏡臺址,建造世界第一大單口徑射電望遠鏡,其擁有30個標準足球場大的接收面積。
王俊傑說,“大窩凼”窪地是喀斯特地貌所獨有的漏斗形天坑,就像一個天然的巨碗,剛好盛起望遠鏡約20萬平方米的巨型反射面,建成後的望遠鏡將會填滿整個山谷。FAST與被評爲人類二十世紀十大工程之一的美國Arecibo 300米望遠鏡相比,其綜合性能提高約10倍。作爲世界最大的單口徑望遠鏡,FAST將在未來20到30年保持世界一流設備的地位。不過,王俊傑指出,FAST雖然口徑巨大,但畢竟是單一天線,不是多天線的干涉陣,因此,探測分辨率(分辨天體細節的能力)比不上有些干涉陣列射電望遠鏡及甚長基線射電望遠鏡。
而建於羊八井的天文觀測站是中國科學院國家天文臺建於西藏的第一個專業天文臺站,天文臺裏的中德亞毫米波望遠鏡(CCOSMA),是中國第一架可用於常規天文觀測的亞毫米波望遠鏡,也是目前北半球檯址海拔最高的亞毫米波望遠鏡。
CCOSMA是具有世界先進水平的望遠鏡,很多方面目前仍處於國際領先地位。它不僅可推動國內天文界在亞毫米波天文學領域的研究,還可作爲中國未來重大科學工程計劃中的大型亞毫米波望遠鏡項目的試驗平臺及人才培養平臺。
王俊傑告訴記者,CCOSMA的優勢在於接收束寬大,也就是視場大,非常適合巡天觀測,這是目前北半球其他亞毫米波望遠鏡所不具備的。但CCOSMA也存在一定的不足,就是接收束寬大,分辨率較低,所以不能探測天體的精細結構。本報記者姜寶君