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      基于漂移掃描CCD技術的短時標時域天文望遠鏡陣“南極天目”原型機研制成功

      文章來源:上海天文臺  |  發布時間:2023-12-16  |  【打印】 【關閉

        
         2022年10月31日,由中國科學院上海天文臺(以下簡稱“上海天文臺”)研制的我國首臺基于漂移掃描CCD技術的短時標時域天文望遠鏡陣“南極天目”的原型機搭載中國第39次南極科考船前往南極。樣機抵達中山站后,在中國極地研究中心的大力支持和協助下,快捷順利地完成了設備安裝及調試。2023年2月20日開始正式觀測至10月26日觀測結束,在極夜期間獲得了大量觀測數據。對觀測圖像的初步分析結果表明,原型機曝光30秒的圖像中亮于9等恒星的測光精度可以達到千分之一星等。原型機在中山站連續進行了248天無故障觀測,標志著原型機設計思路合理可行,為后續建設南極天目望遠鏡陣列奠定了堅實基礎。
      極光下的“南極天目”望遠鏡原型機
       
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        隨著技術的進步,當代天文學已經從刻畫靜態宇宙發展到認識動態宇宙。通過長期多波段觀測揭示宇宙中各類天體的變化并發現和探索各類新天體、新現象,這就是天文學中新興的分支學科——時域天文學。在超新星(2011年諾貝爾物理學獎)、引力波事件(2017年諾貝爾物理學獎)、系外行星(2019年諾貝爾物理學獎)等方面,時域天文學已經產出了一大批重大科學發現。未來10年至20年,時域天文學將成為天文學中引領性的、“金礦”型重大前沿領域。
        當代時域天文學觀測研究期待能夠在小于1天的時間尺度上觀測到快速射電暴、引力波源、超新星爆發、高能中微子、伽瑪射線暴、Ia型超新星、恒星被大質量黑洞潮汐瓦解、極亮X射線暴、耀星和典型新星等各類快速變化天象?;谶@類研究熱點,時域天文學巡天項目需要實現快周期、連續性的觀測,因此設備研制、觀測模式及觀測地點都需要與短時標時域天文學觀測特殊需求進行對標研究。
        南極因其特殊的地理位置和環境,在短時標時域天文學觀測方面具有獨特優勢。每年長達上百天的極夜,能夠開展連續觀測,有利于在第一時間捕捉到天體短時標快速變化和暫現源等極早期的天象。此外,南極夜天光背景暗、大氣透明度高、部分臺址晴夜數很高,是開展高精度測光觀測的理想地點。自2008年以來,我國天文學家已經在南極開展了多次天文觀測和技術實驗,例如南極CSTAR望遠鏡,南極巡天望遠鏡(AST3)計劃、南極亮星巡天望遠鏡(BSST)等。
        為充分利用南極在短時標時域天文學觀測方面的特殊優勢,結合已有的技術儲備并充分考慮南極特殊的自然條件。上海天文臺提出了基于漂移掃描CCD技術的短時標時域天文觀測陣(簡稱“南極天目”)的計劃,實現巡天速度快、連續不間斷觀測、探測能力深的三個科學需求?!澳蠘O天目”項目計劃在南極地區布設由100臺小口徑大視場望遠鏡組成望遠鏡陣列,單個望遠鏡的視場約100平方度,可覆蓋地平高度30度以上1萬平方度的天區,在每年的極夜期間開展連續觀測,力爭在短時標時域天文學觀測研究領域率先取得重大突破。
      “南極天目”原型機設計示意圖與照片
       
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        2019年至2021年間,在中國科學院天文大科學中心和上海天文臺重點培育項目的支持下,上海天文臺光學天文技術研究室望遠鏡研制團隊開展了南極天目原型機的研制。
        設計思路是將望遠鏡系統所有設備放置在密封及隔熱性能優良的可控溫圓頂內,利用漂移掃描技術實現觀測,借助衛星通訊實現上??刂贫伺c南極設備端之間的信息傳輸。這樣的一體式結構設計思路具有顯著的技術創新性,整個系統無需驅動,無需拆裝,可整體運輸,安裝調試簡單便捷,快速就能開展觀測,不但能提高系統的可靠性和安全性,同時也極大方便了在南極的調試與安裝?!霸撛蜋C是上海天文臺放置在南極的首個觀測設備,也是我國首臺基于漂移掃描CCD技術的南極天文觀測設備?!表椖控撠熑?、上海天文臺正高級工程師周丹表示,“該設備觀測技術獨特,環境適應性強,自動化程度、可靠性、能源利用率都比較高,且研制和運行成本低。通過在中山站實際觀測調試和數據分析,可為未來分期布設望遠鏡陣,最終實現南極天目計劃提供重要參考依據?!?
        本項目中,上海天文臺科研團隊將臺內近20年持續攻關積累的漂移掃描CCD技術應用于“南極天目”原型機的研發中。漂移掃描CCD技術利用電荷逐行轉移原理,通過控制轉移速度,實現望遠鏡靜止時電荷跟蹤運動目標的功能。漂移掃描CCD技術學術帶頭人正高級工程師于涌表示:“將這種技術應用于一體式設計的望遠鏡,可以使望遠鏡在無需驅動機構的情況下也能跟蹤天體,這顯著提高了整個系統的可靠性。同時,采用漂移掃描CCD可以對一條赤緯帶天區進行連續觀測,可顯著提升巡天效率?!?
        2019年至2021年間,團隊開展了南極天目望遠鏡原型機的方案設計、軟硬件研制、安裝調試與測試等工作。2021年8月與11月在上海的低溫實驗室分別進行了兩次為期14天的原型機低溫測試(-60℃)并取得了重要數據。2021年9月至12月完成了望遠鏡光學系統測試以及安裝調試。為了驗證設備在低溫環境下運行情況,2022年1月至3月將原型機運至內蒙古海拉爾進行了為期兩個月的外場試觀測,期間夜間氣溫最低達到了-38℃,原型機工作穩定,觀測到大量數據,并及時傳回上??刂贫?。同時,當恒溫艙內溫度降至5℃(設備設定溫度)以下時,加熱系統就開始自動工作,維持艙內溫度在5℃左右。在內蒙古的測試驗證了原型機性能和可靠性,具備前往南極參加科考試驗的能力。
      疫情期間科研團隊進行夜間測光調試
      科研團隊進行調焦實驗
      在上海的低溫試驗室測試樣機
       
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        “南極天目”原型機于2022年10月31日搭載中國第39次南極科考船前往南極,2023年1月到中山站后順利開展了安裝及設備調試,2023年2月20開始正式觀測。傳回的觀測圖像質量與實驗室測試數據一致,滿足預期要求。自3月初開始,團隊開展了漂移掃描觀測及測試,通過觀測數據分析表明,曝光30秒的情況下,亮于9等的恒星的測光精度可以達到千分之一星等。5月21日至7月15日南極中山站進入極夜,設備順利實現了每天24小時連續觀測測試。極夜過后,7月15日至10月26日期間,在天氣晴好的狀態下繼續開展觀測工作。10月26日后由于中山站地區逐漸進入極晝,已關閉設備等待開啟下一年觀測任務。
      2022年10月底,“南極天目”原型機搭載第39次南極科考船前往中山站前,部分研究團隊成員合影
       
        本觀測季累計獲取觀測圖像174,630幅,數據總量(含測試數據)3.35TB。原型機的安裝、調試過程順利。試觀測期間,設備經受了最低氣溫-37.3攝氏度,最高風速38.6米/秒的嚴峻挑戰,保持穩定運行,觀測像質優異,體現了基于漂移掃描CCD技術的一體式結構設計思路在極地天文領域應用的巨大優勢,能夠有效克服南極嚴酷自然環境帶來的限制,同時也使得觀測設備具備在交通不便的極地環境中能夠方便安裝調試、快速開展觀測的能力。
      上海天文臺端接收到的“南極天目”原型機觀測圖像,研究團隊進行了恒星認證
      星象像質測試,半高全寬(FWHM)分布在曝光10秒、30秒情況下,FWHM分布在1.2至2.5個像素之間,與實驗室測試數據保持一致。
      不同曝光時間所拍攝的星的光變曲線精度。曝光30秒的情況下亮于9等的星的精度可以達到千分之一左右(x軸為V星等,y軸為光變曲線的RMS)
       
        該項目技術負責人、上海天文臺工程師祝杰表示:“基于漂移掃描CCD技術的南極天目原型機已在極地環境中正常觀測超過半年,在觀測模式上進行了充分的測試,并在南極極夜期間持續獲得大量觀測圖像,沒有發生任何系統性的故障,顯示出良好的穩定性和可靠性。這表明原型機的設計思路確實能夠有效解決長期以來嚴重影響南極天文望遠鏡經常出現的故障和技術問題?!?
        “南極天目”原型機是上海天文臺內首個在自主部署項目的支持下順利研發并成功放置在南極的觀測設備,后續團隊將系統分析處理原型機觀測獲得的原始圖像數據,總結原型機試驗觀測的經驗,進一步擴大觀測視場,優化能耗分配,并在此基礎上,研制南極時域天文觀測陣的正樣設備,力爭分批布設在南極泰山站或者昆侖站,助力我國在短時標時域天文學觀測和研究領域取得重大成果。
       
      科學聯系人:
      祝杰,中國科學院上海天文臺,jzhu@shao.ac.cn
      于涌,中國科學院上海天文臺,yuy@shao.ac.cn
      周丹,中國科學院上海天文臺,dzhou@shao.ac.cn
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