陳昱光:12米光學望遠鏡爭議,應先看科學目標再看技術

2021-01-08 觀察者網

中國天文學界正積極籌備建設一架口徑12米的通用光學-紅外天文望遠鏡 (LOT),近期圍繞著12米望遠鏡的設計,國內天文界展開了激烈的討論,也有很多科學家表達了自己的意見。特別是中國科學院院士陳建生一份4000多字的長信引爆了中國天文圈。

據《知識分子》報導,中國天文學界對於如何建造「12米望遠鏡」一事,分歧早已存在。陳建生和崔向群只不過是各自陣營的代表人物。他們的背後都有強力的支持者。

下文是一位青年天文工作者就12米光學紅外望遠鏡設計方案談的看法,觀察者網獲作者授權轉載

首先,不談科學目標就談設計絕對是耍流氓,所以我們先看一下12米望遠鏡(以下簡稱 LOT)設計中,從國家層面、從科學層面都要實現什麼樣的目標。從國家層面,LOT 希望能夠在「十三五」完成立項、2018年底開工。這裡要交代一個背景,就是國際上的一批下一代30米級望遠鏡已經陸續開工建設,其中包括中國參與10%的三十米望遠鏡(TMT)。而目前世界上已存在的10米級望遠鏡(如下圖)多達13臺,其中最大的是加納利大型望遠鏡(GTC),口徑10.4米。國家希望建成12米望遠鏡,打出一個時間差,在30米級望遠鏡完工之前成為世界最大的光學/近紅外望遠鏡。所以整個項目的時間確實非常緊。

從科學層面上來講。無論是在陳院士的信,還是在目前公開的多個文檔中,都多次提到,LOT 應當以通用型望遠鏡為主(這是關鍵點之一)。原因是目前「十三五」規劃項目中,已經有多個巡天項目。且世界範圍內也有多個正在進行或正在建設的巡天項目。這些項目數據完全公開。舉例來說,還有一個月左右就要初光的 Zwicky Transient Factory(ZTF)每晚會觸發幾十萬個警報。在未來十年、二十年裡,對重要的天體進行確認和後續觀測,要比發現重要得多。我國地處東半球,而世界上大多數望遠鏡都位於西半球(如下圖)。在同一地理經度上,完全無人可以與我們競爭。這使得我們可以在別人都是白天的時候進行觀測。這對於瞬變源的後續觀測至關重要。此外,目前國內最大的通用型望遠鏡為雲南天文臺的口徑2.4米望遠鏡,在口徑上落後國際水平上百年。建一臺通用型望遠鏡對於彌補缺口意義極其重要。因此,LOT 和現在國際上已有的10米級望遠鏡科學目標差別不大,僅進行小範圍的提升。

已詳細指明的科學目標包括(不分先後):1)早期宇宙中的恆星和星系、宇宙初光等;2)包括類星體、伽馬射線暴在內的高能天體;3)引力波源對應體和瞬變源;4)系外行星。1需要望遠鏡能夠觀測到足夠暗弱的天體,2的情況比較複雜,既需要觀測暗弱天體,也需要和3一樣具有快速響應的能力,4需要測量精度足夠高、儀器穩定性好。科學目標確定之後我們再來看一下技術:首先來看一下3鏡和4鏡的光路圖比較。

4鏡設計和3鏡設計的不同在於在主鏡(M1)後面:4鏡在 M1 之後多加一個小鏡子(M3),這導致 M2 需要做大、M4 需要開洞(另一個關鍵點)。

再科普一下幾個焦點:

主焦點是由主鏡直接反射形成的焦點。只跟 M1 有關係,跟後續光路關係不大。大型巡天項目很喜歡這個焦點(如日本的昴星團望遠鏡的 HSC,見下圖),因為焦距短、視場巨大(可以到度的量級)。但是,一要移除 M2;二由於主焦畸變嚴重,要設計一系列透鏡對主焦進行改造。

卡焦在傳統的3鏡設計中是在望遠鏡後端。這個部分是要隨著望遠鏡轉動而跟著轉的,而且不方便拆換,所以一般放小型的永久性儀器。大雙筒望遠鏡在這兒放的是 MODS(如下圖)。

耐焦在望遠鏡的側面,而且通常設計在和望遠鏡重心對齊的地方,也就是支撐望遠鏡,並控制望遠鏡俯仰的軸那裡。這樣可以在耐焦的位置建一個平臺,安放大型儀器,而大型儀器不需要跟隨望遠鏡俯仰調整位置,只要跟著望遠鏡底部調整方位的平臺一起轉就行(如下圖所示)。這裡不僅可以放一個儀器,左右兩側至少可以放兩個,每側平臺添加一些鏡面的話還可以額外分層。

那麼為什麼要設計成4鏡呢?

實際上站得住腳的原因只有一個:多加一面鏡子多一層改正。在耐焦平臺上,成像質量會更好。像質主要體現在兩個方面。1)視場大,在15角分的大小(約為一個月面半徑,耐焦由於經過鏡面很多,焦距被拉的很長,所以視場都在角分量級)上,4鏡的設計可以達到0.1角秒的成像質量,而3鏡只能達到0.25角秒左右。2)場曲小,減小後端儀器的製造難度。

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