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  LAMOST/银河系研究计划         
LAMOST/银河系研究计划
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 LAMOST/银河系研究计划

 

 

胡景耀1  姜碧沩2
 
1中科院国家天文台
2北京师范大学天文系
 
2004/08,长白山
 
 

 

 

 

前言

 

v宇宙大尺度结构巡天的成功测量了基本的宇宙学参数
SDSS
高红移超新星的搜寻
HST cosmological Key Projects
WMAP
v转移的兴趣--星系的形成
v需要仔细了解的问题
星系的运动学、动力学和化学演化
宇宙中第一代恒星形成的机制和影响
元素生产地的性质和演化
 

 

v
v 研究银河系的意义

宇宙早期的星系形成的许多基本问题的解决都可以从我们银河系中恒星的运动和化学组成得到线索和检验

v大量恒星的6维相空间参数的测定,研究银河系的结构和运动学
v恒星光谱不仅提供视向速度的信息,还提供每个恒星的化学丰度的信息
 
近场宇宙学

远场宇宙学

以高红移星系(即离我们很远的天体)为探针研究宇宙的结构以及早期和演化
v近场宇宙学
以银河系及其中的天体为探针研究宇宙学
不同时标的化石
银河系中最老的恒星与最遥远星系标志的时间是近似的
近场宇宙学提供的动力学时标,~(Gr)-1/2,对于100kpc的尺度,这意味着几个Ga,因此,在较大的尺度上,我们可以期望发现与银河系并合的小动力学系统的痕迹
目标:把单个恒星与原始云联系起来、对应起来

Freeman and Hawthorn, 2002, ARAA
 
LAMOST
¾ 研究银河系的最好工具之一

 

v口径大:4m
v视场大:5° (Large Area)
v光纤多:4000 (Multi-Object)
v光谱观测 (Spectroscopy)
 
 

 

v
v 与其它课题的共生性

需要增加的仪器与经费

原定的低色散光谱仪只要增加32块(蓝区16块、红区16块)VPH光栅
几十万人民币
v观测时间
计划完成北天视星等亮于16等的所有恒星的光谱观测,可以在有月夜完成
不侵占其它课题的时间
 
技术和巡天模式

模式一:

V≤16,全天光谱巡天模式
要求
Vr : ≤2km/s
[Fe/H] : ≤0.2dex
[a/H] : ≤0.2dex
Teff :  ≤100K
log g : ≤0.2dex
光谱
红区(83008800Å),分辨率 R~10000
蓝区(38005000Å),分辨率 R~4000
 

 

为了提高分辨率,在光纤的输出端将加加一1/2光纤直径的狭缝,此时输出端光照是均匀的,损失约有38
 
 
 

红端取CaII的三重线,它受大气影响小,对金属丰度敏感,
且波长长,则分辨率R~λ/λ
 

蓝区与MK分类的经典区域重合,可以很好地利用MorganKeenan判据
V≤16的全天光谱巡天与LAMOST的其它课题不会冲突
有月夜难以观测暗于18.5等的对象
 

Liu,Y., Zhou, X. et al
2003, PASP
 
v20分钟积分对于不同星等能够达到的信噪
 
V(mag)
S/N (低限)
16
20
15
35
14
50

 

不同银纬处的恒星密度
 

 

V
 b=0°
10°
20°
30°
60°
90°
12
56
55
46
35
17
14
13
188
165
122
86
40
33
14
510
414
281
190
84
69
15
1274
966
604
390
161
129
16
3055
2143
1227
750
287
222
17
6950
4446
2306
1330
471
357

 

v  
v
LAMOST20平方度内有4000根光纤,即200/平方度,
所以除了银极区域,我们都有足够的可以观测的对象。
 
观测时间的估算

兴隆光谱可观测夜:~250

v有月夜:1/2
v每次积分20min,光纤定位10min,每轮30min,平均每夜8hour,可工作16
v光纤可用效率90%,即3600
v每年可完成3600´250´0.5´16=7.2´106
v北天V≤16恒星数量约为2.5´107,需要的时间为~3.5a
 

 

模式二: 选区观测

 

vV≤20
v仪器配置
采用LAMOST低色散光谱仪
蓝区:37005900Å
红区:57009000Å
同样采用1/2输出狭缝
v天区的选择
待定,可能主要会集中在低银纬区(SEGUE目指高银纬区)
v根据SEGUE,若S/N>20,则
Vr : ≤15km/s
[Fe/H] : ≤0.3dex
Teff :  ≤200K,∆log g : ≤0.4dex
 
 

模式的选取

银河系不同结构的探针
 
v
v
v
科学目标(
1

银河系不同成分的特征研究

银道面的“张开”和挠曲
不同成分的参数
估计银河系的质量
 
科学目标(2
v银河系的形成历史:“呑噬”过程的回放
星流的搜寻:SDSS根据运动学、化学丰度等成功地找到了人马座星流

科学目标(3

银河系的化学演化

已经找到的最贫金属恒星为HE0107-5240[Fe/H]=-5.3
V≤16的恒星中,预期可以找到
[Fe/H] 3的恒星数千颗
[Fe/H] 4的恒星数百颗
它们的空间分布与早期超新星的关系
 
 
科学目标(4
暗物质的成团性和银河系的引力势

科学目标(5

ISM

高银纬云HLCsHigh Latitude Clouds
AVCaII的吸收
低银纬的消光
AV的结构
不同方向、不同距离的值,具有实用意义
消光规律的变化
R ºAV/E(B-V)的变化
消光随波长的改变Aλ
 

科学目标(6

特殊天体

 

 

国际上类似的计划-合作与竞争
vRAVE(咆哮)
南天
经费还未落实
 

 

vSEGUE (继续)
Sloan Extension for Galactic Underpinnings (基础,支柱)and Evolution
SDSS明年完成后,将大规模地开始SEGUE,设备不变,经费US$10M
3000平方度,低银纬天区的测光,250000颗恒星的光谱,200个不同方向的天区
目标
银晕的子结构,即并和的遗迹
恒星形成区
银河系的卫星星系
薄盘和厚盘的信息
银河系的挠曲和“开放”
ISM的三维结构
 

 

vAAomega
AAT 3.9m
FOV2°
光纤数:400
光谱范围:37009500Å
谱分辨率:13008000
极限星等:B22.0 seeing 1“
科学目标
类太阳矮星至10kpc,巨星至150kpc
 

 

vGAIA(盖亚,大地女神)
Galactic Astrometric Interferometer Array
vGAIA之后,LAMOST还能做什么?
 
下一步工作的建议
v完成建议书
v输入星表的讨论
v选区、选源的讨论
vVr测量的试观测
v[Fe/H][a/Fe]测量的试观测
v组织落实,经费落实
 
项目简介
     2009年07月20日   
 

 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)是一架横卧南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。应用主动光学技术控制反射改正板,使它成为大口径兼大视场光学望远镜的世界之最。由于它口径达4米,在曝光1.5小时内可以观测到暗达20.5等的天体。而由于它视场达5°,在焦面上可放置四千根光纤,将遥远天体的光分别传输到多台光谱仪中,同时获得它们的光谱,成为世界上光谱获取率最高的望远镜。它将安放在国家天文台兴隆观测站(右图为效果图),成为我国在大规模光学光谱观测中,在大视场天文学研究上,居于国际领先地位的大科学装置。

多年来,我国天文界建设了以2.16米、1.56米光学望远镜、1.26米红外望远镜、太阳磁场和多通道望远镜、13.7米毫米波、米波综合孔径、以及甚长基线干涉射电望远镜为代表的天文学实测基础设施,有力地促进了我国天文研究的开展,提高了我国天文学在国际上的地位。LAMOST瞄准了涉及天文和天体物理学中诸多前沿问题的大视场天文学,抓住大规模光学光谱开拓的可贵机遇,以新颖的构思、巧妙的设计实现了光学望远镜大口径兼备大视场的突破。LAMOST望远镜由北端的反射施密特改正板MA、南端的球面主镜MB和中间的焦面构成。球面主镜及焦面固定在地基上,反射施密特改正板作为定天镜跟踪天体的运动,望远镜在天体经过中天前后时进行观测。天体的光经MA反射到MB,再经MB反射后成像在焦面上。焦面上放置的光纤,将天体的光分别传输到光谱仪的狭缝上,然后通过光谱仪后的CCD探测器同时获得大量天体的光谱(左图为光路示意图)。

光学光谱包含着遥远天体丰富的物理信息,大量天体光学光谱的获取是涉及天文和天体物理学诸多前沿问题的大视场、大样本天文学研究的关键。但是,迄今由成像巡天记录下来的数以百亿计的各类天体中,只有很小的一部分(约万分之一)进行过光谱观测。LAMOST作为天体光谱获取率最高的望远镜,将突破天文研究中光谱观测的这一“瓶颈”,成为最具威力的光谱巡天望远镜,是进行大视场、大样本天文学研究的有力工具。LAMOST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作出重大贡献。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作出重大贡献。结合红外、射电、X射线、γ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作出重大贡献。

LAMOST工程分为七个子系统:光学系统;主动光学和支撑系统;机架和跟踪装置;望远镜控制系统;焦面仪器;圆顶;数据处理和计算机集成。望远镜将安放在中国科学院北京天文台兴隆观测站,项目总投资约2.35亿元,建成后将作为国家设备向全国天文界开放,并积极开展国际合作。

技术创新点
     2009年07月20日   
 

 

LAMOST是我国自主创新的,在技术上非常有挑战性的大型光学望远镜。全面完成后将是我国最大的光学望远镜(主镜为6米)和国际上最大口径的大视场光学望远镜。LAMOST拥有多项国际前沿水平的技术创新,例如: 

1)拼接镜面主动光学技术及在一个光学系统中同时采用两块大拼接镜面(37块1.1米六角形子镜拼接成6.67米×6.58米的主镜,以及24块1.1米六角形子镜拼接成的5.72米×4.4米反射施密特改正镜); 

2)在观测中实时在一块大镜面上同时实现应用拼接和可变形镜面主动光学技术; 

3)六角形可变形镜面主动控制和波前检测技术; 

4)4000根光纤单元在焦面上的精确定位; 

5)多目标光纤光谱技术; 

6)海量数据处理技术; 

7)大视场与大口径兼备。

工程进展
     2009年07月20日   
 

1992年4-5月,中国天文学会和中科院数理学部向全国天文界征集下一阶段天文重大观测设备建议。以王绶宿、苏定强院士为首的研究集体针对国内外现状和发展机遇,提出了建造LAMOST的建议,得到了天文界广泛的支持。LAMOST项目的实施,将使我国天文学在大规模光学光谱观测和大视场天文学研究上,跻身于国际领先行列。 

1995年1-2月,国家科委组织对各学科科学工程的建议项目进行评议,LAMOST位居前列。 

1996年6月,国家计委、国家科委组织两院院士对国家重大科学工程进行评审,LAMOST位居前列。 

1996年7月,国家科技领导小组启动国家重大科学工程计划。 

1997年4月,国家计委批复LAMOST项目建议书。 

1997年8月29日,国家计委批复LAMOST项目可行性研究报告,标志着LAMOST正式立项。 

1999年2月12日,LAMOST项目初步设计报告编制完成。 

1999年6月9日,国家计委委托中科院批复了LAMOST项目初步设计与概算。 

2000年2月20日,数据处理和研究中心工程开工。 

2001年8月,LAMOST项目开工报告获国家计委批准,项目进入正式施工阶段。 

2002年12月3日和4日晚,1比1室外主动光学试验闭环校正光学系统的像差精度研究获得初步成功,在对角径为1.1米、厚为25毫米的正六角形试验子镜上的偏轴非球面的精度达到均方根值42纳米。这是针对LAMOST最重要的关键技术而进行的研究。 

2003年1月22日,在南京天光所TCS总控开发实验室内进行了LAMOST的“OCS和TCS”0-级联调系统方案研讨,最终确认了TCS研制组的“关于实现0-级OCS和TCS系统联调的技术草案”方案,并通过实测实现了LAMOST南京合肥两地系统联调的第一个成功的演示。 

2003年7月,LAMOST海量光谱的自动识别与分析系统,经中科院国家天文台天文学家和自动化所技术专家的联合攻关,已完成技术理论研究工作,LAMOST最重要的实用系统的框架设计方案由此确定。LAMOST建成后将一次观测4000个天体,支撑起一个庞大的天文观测数据库,供天文学家在此基础上开展前沿研究。自动化领域的专家协助天文学家寻找有效的对天体光谱进行自动识别分类和参数测量的算法,开发出可供LAMOST使用的光谱自动识别分类的软件包,目前已成功建立了各种类型的光谱库。 

2003年10月13日,中国科学技术大学近代物理系OCS研究组承担的LAMOST-1级观测控制系统(OCS-1.20)和1级巡天战略系统(SSS-1.00)通过验收。来自LAMOST工程指挥部、国家天文台、南京天文光学技术研究所和中国科学技术大学的16名专家和教授组成验收专家组。 

2003年10月14日,由中国科学技术大学承担的LAMOST“光纤定位多单元中间试验系统”通过了专家验收,试验系统达到了合同要求,试验的成功表明LAMOST光纤定位系统研制取得突破性进展。光纤定位系统是LAMOST两个关键技术之一,它要求把4000根光纤在较短的时间内精确对准各自的观测目标。目前国外采用较为成熟的光纤定位技术,包括固定的定位孔、磁扣式等,由于LAMOST焦面的直径较大(达1.75米),光纤数目较多达4000根(国外目前达到实用的最多只有640根),现有方案很难直接运用。中国科学技术大学邢晓正教授提出的“并行可控式光纤定位”方案最终被采用。该方案定位速度快、精度高,可以实时补偿温度和大气的较差折射等引起的误差,光纤与焦面法线偏角小,直接对准星象,光能损失小,观测上无040107.jpg (36967 字节)盲区,四千个可控式单元由相同的构件组成,加工成本低,可靠性高,运行费用低。此次中国科学技术大学研制的19个单元样机经1年半的成功运行后顺利通过验收,表明这项关键技术已取得了突破性进展。 

2004年1月7日,LAMOST的球面主镜部分的子镜室样机(右图)实验顺利完成。LAMOST的主镜是采用拼接镜面主动光学技术的大型薄镜面,单块六角形子镜的对角径为1.1米,厚度只有75毫米。自2001年开始方案设计以来,南京天光所经历了结构优化分析、细节设计、数次原理和工艺审核、外协加工、部分零件修改、铝制代子镜测试和玻璃子镜测试数个阶段,最终获得初步结论。球面主镜在国内率先采用了一种倒挂式的摇杆机构(WHIFFLETREE)和中孔薄膜机构分别解决了子镜的轴向和侧向支撑问题,所有的机构都隐藏在子镜背后,结构紧凑,避免了拼接镜面中支撑系统可能的干涉问题。 

2004年6月15日,LAMOST观测楼在国家天文台兴隆观测站开工建设。出席观测楼奠基仪式的有中科院副院长白春礼、科技部基础司、河北省科技厅、承德市、兴隆县、国家天文台和施工单位的有关领导、LAMOST项目管理委员会和科技委部分成员、以及项目工程指挥部主要成员。 

2004年9月,4000根光纤焦面定位系统的设计方案通过评审,并开始加工制造。 

2004年11月25日,中国科学技术大学近代物理系承担的LAMOST观测控制系统(OCS-2.10)和巡天战略系统(SSS-1.10)通过了验收。评审专家组由工程指挥部、中国科技大学、国家天文台、南京天文光学技术所18名专家学者组成。

2004年12月30日,南京天文光学技术所承担的LAMOST关键技术预研究项目——“大口径主动光学实验望远镜装置(左图)在南京通过验收和成果鉴定。专家认为:该装置是国际上第一架采用主动光学技术的反射施密特望远镜,经现场测试获得了高精度测试结果。该装置用六角形薄镜面为主动光学中的可变形镜,发展了相关的主动校正力的定标计算方法,采用主动光学开环控制技术成功地在薄镜面上产生偏轴非球面,补偿了光学系统的像差,解决了大口径、大视场反射施密特望远镜的关键技术之一,属国际首创。该装置的实验成功显示了我国已掌握大口径薄镜面主动光学的关键技术,开创了天文光学中大口径、大视场观测的新局面,具有重大的天文和国防等应用前景。 

2005年1月14日,LAMOST项目委托俄罗斯Lytkarino光学玻璃厂(JSC LZOS)加工的第一批共4块MB子镜安全运抵南京天文光学技术所(2004年11月在俄通过验收)。LAMOST的球面主镜(简称MB)尺寸为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(右图)加工难度高。本次验收的4块子镜的技术指标完全满足了LAMOST项目的要求。2005年1月18日,LAMOST工程指挥部和中国科技大学在合肥签订了“LAMOST焦面光纤定位装置研制合同(左图) 

2005年4月15日,LAMOST低分辨率光谱仪样机通过了专家评估(右图)LAMOST需配置16台中低分辨率多目标光纤光谱仪和一台高分辨率阶梯光栅光谱仪,低分辨率光谱仪样机已完成。专家组听取了样机研制报告、测试报告,并对现场进行了考察。专家组认为,光谱仪的主要指标如光谱分辨率等,在目前检测用的CCD所能覆盖的光谱范围内已达到设计指标要求并与光学计算结果符合。限于实验条件,有些性能指标尚无法检测,下一步将完善检测设备,以保证正样光谱仪有完备的检测结果。 

2005年4月20日,南京天文光学技术研究所承担的院设备更新专项资金支持项目——3.6米环抛机在南京通过了专家组的现场验收。3.6米环抛机为LAMOST施密特改正镜研制需要而配置,目前已完成试运行。专家组经过严密的验收程序后,一致认为:3.6米环抛机各项定量定性指标均已达到,运行正常,可以满足LAMOST项目Ma子镜光学的预定目标的要求,同意验收。2005年5月18日,LAMOST地平式机架在南京完成机电初联调(左图)经过对跟踪精度和指向重复定位精度的初步检测,各项指标均达到设计要求。这意味着LAMOST地平式机架已达到分拆启运前的要求,是LAMOST研制过程中的又一个里程碑,2005年5月30日-6月2日,“LAMOST项目国际中期评估”在南京和北京举行(右图)来自英国、美国、澳大利亚、法国、德国的9位国际知名天文仪器专家和天文学家担任评委。专家们实地考察了LAMOST的8米MA地平式机架、MB桁架的装调现场、主动光学室外实验望远镜装置、主动光学实验室、力促动器实验室、多目标光纤光谱仪样机、MA/MB子镜样机、摩擦驱动试验、MB子镜及正在该所磨制的MA子镜,并针对会议提交的四个报告和工程建设期间存在的问题和难题进行了讨论。 

2005年6月3-4日,在北京召开的“南极DOME C/A大视场巡天望远镜研讨会”上,LAMOST独特的设计思想也对国际天文望远镜的设计产生了重要影响。国外天文学家提议在南极建造一台更大口径的LAMOST望远镜。与国家天文台的LAMOST遥相呼应,对整个天空进行完整的深度光谱观测。 

2005年6月16日,LAMOST委托南京天文光学技术所研制的MA子镜第一批(共4块)在南京顺利通过验收。LAMOST项目的反射式施密特改正板(简称MA镜)长5.7米,宽4.4米,由24块MA子镜拼接而成。子镜的外形为正六边形,对角线尺寸为1.1米,厚度为25毫米,其特点是口径大,厚度小,面形精度要求高。验收组听取了研制报告和测试报告并进行了现场抽检,验收组认为:4块子镜均已达到合同的技术要求,其工艺流程合理,在大口径高精度薄平面光学镜面的研制方面已达到国内领先水平。 

2005年9月,LAMOST与美国SDSS签订了LAMOST参加“SLOAN数字巡天-II”工作的备忘录。2005年9月20日,LAMOST首件大型设备MA机架从南京天文光学技术研究所启运,运往国家天文台兴隆观测站,标志着LAMOST的研制取得了阶段性的成果,这是LAMOST工程建设具有里程碑意义的重大事件。(左图为来宾为运输车剪彩;右图为2005年9月24日MA机架转台在兴隆吊装)。 

2005年11月18日,中国科学技术大学近代物理系承担的LAMOST子课题观测控制系统(OCS-2.20)和观测战略系统SSS-2.00通过了验收。专家评审组由LAMOST工程指挥部、中国科学技术大学、国家天文台、南京天文光学技术研究所的21名专家组成。 

2005年12月24日,组成LAMOST本体的反射施密特改正镜(MA)机架、球面主镜(MB)桁架和焦面机构三大部套的安装在兴隆观测站顺利完成,各项指标均达到设计要求,标志着LAMOST项目全面进入现场安装调试阶段(右图)

2006年4月12日,三块对角径1.1米六角形球面MB子镜在南京天文光学技术研究所拼接成功,是LAMOST工程的又一重大进展(左图为由37块子镜拼接组成的LAMOST主镜示意,有阴影线部分为首批预拼接子镜)。在世界上首次应用了在同一块大镜面上同时应用薄镜面(可变形镜面)主动光学技术和拼接镜面主动光学技术,还首次在一个光学系统中同时采用了两块大的拼接镜面。球面主镜的拼接是这个关键技术的重要组成部分,也是使项目造价大为降低的关键之一。进而言之,拼接镜面主动光学技术也是未来巨型地面光学红外望远镜的主要技术之一,掌握此技术意义重大。 

2006年11月,委托俄罗斯研制的40块MB子镜(其中包括3块备用子镜)全部通过验收。2006年12月27日,南京天文光学技术所承担并自行研制的LAMOST 30块MA子镜(其中包括6块备用子镜)于近日顺利通过验收(右图)验收专家组听取了研制报告和验收测试报告,审阅了相关技术资料并进行了现场考察。专家组认为:30块MA子镜面的技术指标均满足合同要求,同意通过验收,这是LAMOST建设过程中又一个重要里程碑。该项工作在大口径高精度非圆形超薄平面研制方面处国内领先,并达到国际先进水平,对我国研制未来巨型望远镜和其他大型光学工程有重要意义。 

2007年2月4日,LAMOST首批三块1.1米六角形主镜子镜在国家天文台兴隆观测站顺利安装成功(左图。LAMOST主镜的安装难度很大,经过反复的实战模拟准备,终于安全、顺利地完成首批三块子镜的安装,标志着LAMOST项目顺利进入了光学装调阶段。 

2007年2月27日,LAMOST“焦面光纤定位系统(小系统)验收会”在合肥中国科学技术大学举行。来自国家天文台、上海天文台、南京天文光学技术研究所、中国科学技术大学等单位的验收专家和有关领导出席了验收会。焦面光纤定位小系统包括直径600mm的小焦面板、250个光纤定位单元、250单元的驱动控制电路、定位控制软件和定位精度检测系统(左图)与会专家听取了研制报告,检测组检查了项目组提供的详细测试数据,验收组经现场考察和检查。验收组认为,小焦面板、光纤单元、控制系统软硬件和光纤位置检测系统达到了技术要求,该小系统可以通过实验室验收并在兴隆观测站现场安装。 

2007年2月28日,LAMOST的地平式机架及焦面机构的机电联调顺利完成,实测技术指标均优于设计指标。地平式机架是LAMOST最大最复杂的精密机械系统,也是我国目前尺寸最大、精度要求最高的光学望远镜跟踪机架。焦面机构用于支撑直径1.8米、安装有4000根光纤及其定位机构的焦面板,并起着在观测过程中消除像场旋转、精确定位焦面板及精确跟踪星像的重要作用。由于其需要场旋转、姿态调整、调焦、侧移的空间五维精确运动,技术难度很大。机电联调的完成是LAMOST又一个阶段性成果,为光机电联调和小系统按时出光奠定了扎实的基础(右图为A镜地平式机架) 

2007年5月28日凌晨3点,正在调试中的LAMOST喜获首条天体光谱左图)随着调试的进展,随后的两天LAMOST已不断地获得越来越多的天体光谱,标志着其各个子系统(望远镜光学和主动光学、跟踪控制、光纤、光谱仪)已全部联通并达到要求的技术指标。LAMOST正处在“小系统”联调阶段,“小系统”调通后,将在此基础上扩展镜面子镜数至24/37块,光纤数至4000根和光谱仪数量至16台。

2007年6月29日,“LAMOST小系统验收会”在北京召开(右图)LAMOST“小系统”包括3米口径的镜面,250根光纤和一台光谱仪,以及LAMOST完整的机架、跟踪和控制系统。中科院基础局组织了国内天文、天文仪器、光学、精密机械、电子及管理科学等领域的著名专家学者20余人对LAMOST的“小系统”进行了全面的综合评估。测试专家组于6月18日和6月28日到兴隆观测基地进行了现场测试和考察。验收专家组听取了研制报告、测试专家组的测试报告,审阅了相关技术资料。专家组认为:“LAMOST小系统的光学质量完全达到了指标要求,多目标光纤光谱系统基本达到预定目标,望远镜、光纤、光谱仪和CCD相机所组成的观测系统,集成情况良好。LAMOST小系统的研制成功证明项目总体方案是正确的,技术和工艺是可行的。同意通过验收。”LAMOST小系统的成功是该项工程建设中的一个重要里程碑,标志着项目建设的所有关键技术难点已被攻克,尤其是国际领先的薄镜面及拼接镜面的主动光学技术和并行可控式光纤两项新技术的成功,为项目建设的全面成功铺平了道路。 

2007年8月,南京天光所订购的1.6米箱式真空镀膜机经设备调试和工艺实验获取了可靠的工艺参数,并为LAMOST项目MA、MB子镜添置了专用工装,顺利完成LAMOST三块MA子镜和一块MB子镜的镀膜,经检测,这四块子镜膜层质量优良,膜层的机械强度及反射率指标均达到了设计要求。 

2007年12月中旬,中科院上海天文台天体测量团组承担的“LAMOST天体测量支持系统”完成了在LAMOST小系统上的调试,97%以上的有效光纤得到了目标的星光光谱,为下一步科学目标的试验观测打下基础。天体测量支持系统负责为LAMOST望远镜的各运动部分提供实时的指向参数和运动参数,包括施密特改正镜法线的瞬时指向参数、焦面的瞬时位置、姿态和旋转角参数、每个光纤单元的定位参数。由于LAMOST视场大(20平方度)、焦距长(20米)、接收单元离散分布、工作原理特殊,对天体测量支持系统提出很高的精度要求(焦面上允许定位误差50微米)。 

2007年底,LAMOST光纤定位系统的可重复的光谱出光率平均达到97%,并安装调试完成约三分之二的光学镜面(24块主镜和16块施密特改正镜的子镜)和8台多目标光纤光谱仪,使项目在2008年全面竣工有了保证,也为科学上的试观测打下了很好的基础。 

2008年1月,为了推动LAMOST有关科学研究的开展,组织国内外天文学家对LAMOST观测项目的申请和评估工作,优选观测计划等,国家天文台成立了“LAMOST巡天观测计划遴选和设计委员会”。该委员会发布了“LAMOST数据政策(征求意见稿)”,以推动国内外天文学家利用LAMOST观测数据进行科学研究的积极性。征求意见稿已向国内天文界公开发布,并在LAMOST网站上公布。委员会还向国内各天文台及其他高校有关的天文学家发出征求LAMOST科学观测计划和科研题目的第一号通知,征求课题的截止期为2008年4月底,5月份将对第一批提出的观测计划进行评审。在评审基础上优选课题,组织相应的工作小组,以推动LAMOST科学研究的全面准备工作。 

2008年3月,LAMOST拆除了小系统用的小焦面板,对LAMOST焦面板进行了安装和调试。为了保证产品的质量,工程指挥部先后组织人员对中国科技大学研制的焦面板机械加工进行了出厂前和现场安装后的测试和验收,结果表明焦面板的机械加工以及安装和调试均符合设计要求。 

2008年4月4日,美国《科学》杂志(Page 34-35,VOL 320)报道了LAMOST项目的最新进展。文章题为“中国的LAMOST在准备最后的测试”,对LAMOST的技术创新点、建设过程和近况、以及三大科学目标进行了详细介绍。链接:原文 

2008年4月10日,LAMOST顺利完成2/3镜面装调目标。16块MA子镜(共24块)和24块MB子镜(共37块)及其支撑系统的现场装调已经完成。24块MB子镜共球心测试结果为80%光能量集中在0.4角秒直径的圆内,达到设计技术要求;通过自准直校正测试望远镜光学系统的成像质量已达到80%光能量集中在1.2角秒直径的圆内(设计指标为80%光能量集中在2.0角秒直径的圆内);测试结果充分表明:望远镜光学系统的成像质量已优于设计指标。配备的16台光谱仪已有8台完成了光、机、电联调。至此,光谱仪的研制任务完成过半,实现了预定目标。望远镜导星跟踪的综合精度可达0.42角秒,光纤定位系统的可重复的光谱出光率平均达到97%,保证了整个系统稳定全面地出光,为下一步科学目标的试验观测打下了坚实基础。 

2008年5月13日,“天体测量支持系统在LAMOST小系统中的应用”验收会在上海天文台召开,验收组由南京光学天文仪器研究所、国家天文台、中国科技大学的专家组成,南京光学天文仪器研究所所长崔向群研究员担任验收组组长。在听取了上海天文台天体测量研究团组科研人员的总结报告后,与会专家对天体测量支持系统在LAMOST工程小系统调试中的工作进行了评估。该支持系统负责为LAMOST望远镜的各运动部分提供实时的指向参数和运动参数及其导星修正量,主要包括施密特改正镜法线的瞬时指向参数、焦面的瞬时位置、姿态和旋转角参数、每个光纤单元的定位参数。在LAMOST小系统的调试过程中,天体测量支持系统与光学、机械、电控、光纤定位、光谱仪等各子系统密切配合,在天气情况和仪器状态良好的情况下,望远镜持续1小时导星和跟踪的综合波动均方差达到0”.42,光谱有效出光率达到97%以上,并可重复,为下一步LAMOST大系统的调试打下了坚实基础。验收组认为支持系统的设计方案行之有效,其中的硬件部分和软件部分的性能都达到了所要求的指标,能够正常支持观测过程的实现,并在小系统整体调试中发挥了重要的作用,同意通过验收。 

2008年6月21日,LAMOST在兴隆观测站完成了24块反射施密特改正镜(MA(右图)37块球面主镜(MB(左图)的安装。这是LAMOST项目研制过程中的一个重要里程碑,标志着LAMOST项目全面进入最后的现场装调阶段。 

2008年9月27日夜,LAMOST望远镜在调试中一次观测得到1000余条天体的光谱。截止到发稿,在每次调试观测中,LAMOST都不断地获得1000多至2000多天体的光谱。用于调试观测的天体一般是亮于17等,光谱是在无云观测夜曝光5分钟后获得的。与国际上迄今最多一次观测只能得到600多条天体的光谱相比,LAMOST已经成为世界上光谱观测获取率最高的望远镜。(右图为LAMOST获得的恒星光谱:左为蓝区光谱、右为红区光谱,未定标) 

2008年10月16日,LAMOST落成典礼在国家天文台兴隆观测基地举行。LAMOST于2008年8月底完成了全部硬件安装,并开始进行试观测。目前望远镜的各项指标均已经达到甚至超过设计要求,在调试过程中单次观测可同时获得3000多条天体光谱的能力。LAMOST已成为我国最大的光学望远镜、世界上最大口径的大视场望远镜,也是世界上光谱获取率最高的望远镜。它的研制成功使我国的大规模光谱观测处于世界领先地位。 

2008年12月15日-18日,中科院基础科学局和计划财务局组织专家对LAMOST进行了现场测试(项目的设备部分—望远镜和仪器)。12月19日鉴定验收专家组进行了工艺鉴定验收(左图)专家组认为:LAMOST突破了光学望远镜大口径与大视场不可兼得的困难,在主镜和改正镜上同时实现主动光学技术,把几十个薄镜面,实时调整,完美拼合为一体;并在视场上安装4000根光纤,能同时测定4000个目标的光谱。LAMOST是国际上口径最大、视场最宽、光谱获取率最高的大型施密特望远镜,为国际同行赞许。在研制过程中,有多项技术创新,为今后大望远镜研制奠定坚实基础。  

2009年6月4日, LAMOST在中国科学院国家天文台兴隆观测基地顺利通过国家发展改革委组织的国家竣工验收(右图)验收委员会由国家发展改革委、科技部、国家档案局、基金委、河北省、中科院等有关部门和相关领域的专家组成。国家发展改革委副主任张晓强,中国科学院常务副院长、LAMOST工程建设领导小组组长白春礼任主任委员出席了验收仪式。

 
LAMOST总工程师:完成这样一项大工程真的很不易(090605)

做一件事不容易,做成一件事更不容易。“如果让我说感受,我只能说,完成这样一项大的工程真的很不容易。”国家重大科学工程——大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)总工程师、中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所所长崔向群对记者说。

2009年6月4日,LAMOST通过国家竣工验收。在接受《科学时报》采访时,崔向群说:“项目能获得成功是我们整个团队十多年锲而不舍的结果,以后要走的路还很长。中国科学院各级领导一直坚定地支持和指导这样一个创新和技术难度都很大的项目,这是我们能成功的根本保证。”

 

质疑声中艰难前行

建造大视场兼大口径天文望远镜是20世纪后50年世界天文学家都在不懈努力的事情。天文学家都知道,大天区范围的光谱巡天是天文观测的突破口。而实现大天区范围内的大规模光谱测量,望远镜就必须具备两个条件:口径必须足够大和有足够大的视场。然而,长期以来,由于材料和工艺的限制,“大口径和大视场难以兼备”一直困扰着天文学界。

20世纪80年代,我国成功研制了2.16米望远镜后,中科院院士王绶琯看准了中国天文学应该瞄准的这个突破口,与中科院院士苏定强在考虑下一步的中国天文大设备时,创新性地提出了LAMOST这种类型的大视场兼备大口径的主动反射施密特望远镜的方案。

1993年,苏定强致信其学生崔向群,希望她能参与这个项目。其时,崔向群正在欧洲南方天文台参加20世纪末世界上最大的天文光学望远镜计划——4台口径8米望远镜合成口径16米望远镜的研制工作。1994年初,崔向群携全家回国,参加LAMOST的工作。

谈到回国,崔向群的理由很简单:“我们是国家培养的,国家需要就回来了。”

回国后,崔向群担任了LAMOST的总工程师,负责项目的立项和在预研中的技术工作,中国科技大学教授褚耀泉担任项目首席科学家。1994年,崔向群与褚耀泉在英国剑桥大学举行的一个天文学国际会议上报告了LAMOST科学思想和方案。

“这次会议是LAMOST在国际上产生反响的开始。”崔向群说。LAMOST前瞻性的科学思想和创新的方案得到了国际天文学界的赞许,这让他们更加认识到了LAMOST的科学价值,也让他们有了必须研制成功的信心和决心。

然而,赞许之中更多的是质疑。“国外的人认为很难做出来,国内的人认为做不出来。”崔向群说。

对于这些质疑,崔向群表示理解:“因为的确太难了!”LAMOST在口径、视场和光纤数目三者结合上超过了所有国际上目前已完成的或正在进行的大视场多天体光纤光谱巡天计划。其核心关键技术——主动光学技术和4000根光纤定位都属国际首创,主要关键技术,如24块高精度超薄六角形光学镜面的磨制和检测、曲率半径一致性要求近三万分之一的37块球面镜子镜的磨制、大口径超薄镜面和倒挂式大口径镜面的精确支撑技术、40米长的光路上的气流改善、海量光谱数据处理等也均为国际前沿。

苏定强就曾对崔向群形容说,“搞LAMOST这样的项目需要敢死队!”

在崔向群看来,LAMOST团队的人就像是坐在一条逆水行驶的船上,“只能设法前进”。

 

科技创新的典范

在LAMOST竣工验收前夕,褚耀泉和崔向群向记者详细介绍了LAMOST的情况。褚耀泉的一份PPT报告里有一幅LAMOST示意图,清晰显示了LAMOST的结构组成:反射施密特改正镜MA,球面主镜MB和焦面。

褚耀泉解释说,LAMOST在结构上由三部分组成:反射施密特改正镜MA,球面主镜MB和焦面。在观测过程中,天体的光经MA反射到MB,再经MB反射后成像在直径1.75米的焦面上。主镜MB为6.67米×6.05米,反射施密特改正镜MA为5.72米×4.40米,其视场5度,等效通光口径为3.6米~4.9米,在直径为1.75米的大焦面放置了4000根光纤,由光纤将天体的光分别传输到焦面下面的光谱仪房内的16台光谱仪的狭缝上,然后通过光谱仪后端高灵敏的CCD探测器获得4000条光谱。

LAMOST最主要的技术难点就是主动光学技术和4000根光纤的定位。

“仅主动光学技术攻关我们就做了6年。世界上的主动光学技术要么是拼接的要么是变形的,我们的主动光学的难点是我们既要变形又要拼接。”崔向群说。

LAMOST实现了在一块镜面上(MA)同时应用薄变形镜面和拼接镜面的主动光学技术;在一个光学系统中同时应用两块大口径拼接镜面。且在观测使用中要实时依靠主动光学系统精确地变成需要的非球面——这就是薄镜面主动光学加拼接镜面主动光学技术。这在国际上还没有先例。

同类的光谱望远镜,世界上目前最大的光纤数也就是660根,而LAMOST创新地提出分小区、并行可控的光纤定位方案将光纤数提高了一个数量级,使其光纤数达到4000根,远远超过世界现有水平。

“通过LAMOST,我国的天文望远镜研制已经逐步走向创新发展。”褚耀泉说。LAMOST被专家称赞为我国科技创新的典范。它是我国最大的光学望远镜(主镜>6米),是国际上最大口径的大视场望远镜、国际上光谱获取率最高的望远镜。其研制规模和技术难度与国际上8~10米级光学望远镜相当,主要关键技术处于国际领先水平,同时也为我国研制极大口径望远镜打下了坚实基础。

鉴于LAMOST的科学目标将集中在河外星系巡天、银河系结构和演化以及多波段目标证认三个方面,褚耀泉介绍,研制成功后,LAMOST将对北天可观测的约14000平方度高银纬天区进行光谱巡天观测,其中包括北、南银冠区各250万个星系的巡天,150万个亮红星系巡天和约100万个类星体的观测,这些资料将在宇宙模型、暗物质、暗能量、大尺度结构、星系形成和演化等研究方面作出重大贡献。同时,它还将对250万颗恒星进行光谱观测,用于研究包括银河系晕的整体结构及亚结构,银河系的引力势与物质分布,从薄盘、厚盘到晕在反银心方向的结构特征,银河系球状星团来源及其与银河系结构的关系,银河系恒星金属丰度分类及贫金属星的搜寻等几个大的方向。此外,LAMOST也将结合红外、射电、X射线、γ射线巡天的大量天体的光谱观测在各类天体多波段交叉认证上作出重大贡献。

崔向群透露,目前,LAMOST已开始调试工作,2010年进入试观测,2011年开始正式观测。今后,LAMOST巡天获得的资料将对国内外天文学界公开,这将大大推动天文学各个领域研究工作的蓬勃发展。

 

从青黄不接到人才济济

谈到LAMOST研制过程中面临的最大困难,崔向群认为,除了世界级的技术挑战外,就要属人才问题了。

LAMOST是国家“九五”期间投资的重大科学工程之一,1997年4月经国家计委批准LAMOST立项。项目由中国科学技术大学与国家天文台、南京天文光学技术研究所共同承担。

经过十多年的方案论证到最终批准立项,本是件令人欣慰的事情。然而这种欣慰立即被随之而来的人才难题所取代。

20世纪90年代中期可以说是国内各学科人才断档的时期,各类人才青黄不接,LAMOST任务也面临几乎无人可挑的困境。即使是崔向群和褚耀泉当时也不过40多岁,都没有管理大型科学项目的经验。

“我们很多工作只能靠刚毕业的大学生和研究生来做。”崔向群说。然而,让他们痛心的是,因为当时条件较差,几乎90%的学生都走掉了,有的甚至连在职博士都不读就走了。

为了解决人才稀缺的问题,他们想尽各种办法,包括返聘退休的老专家承担重任和带年轻人。南京天文光学技术研究所的研究员王亚男、姚正秋、徐欣圻、陈海元、陶庆陞等都是他们返聘的专家。

“1998年到2004年是我们最困难的时期,技术攻关难题、人才青黄不接、机构调整带来的矛盾等一系列问题都集中在这个时期,当时我们心里的苦可想而知。”崔向群说。

2004年以后,随着国家经济的不断发展和中国科学院知识创新工程的不断深入,情况逐步开始好转。不仅中国科学院的科研环境得到很大改善,人员待遇提高,而且知识创新工程提出的“面向世界科学前沿”对很多有志于科学的年轻人产生了很大的吸引力。

“现在我们已经形成了一支稳定的队伍,年轻人迅速成长,不少已可独当一面。”崔向群说。一些年轻人已经成长为副研究员或研究员,他们可以担当项目负责人,独立申请基金项目、知识创新工程的重点项目等。

2004年,澳大利亚英澳天文台天文学家Will Saunders建议做一架16米口径的LAMOST类型的望远镜放在南极冰穹C,并希望中国与之合作。现在,中国已开始与美国、澳大利亚合作开展南极内陆冰穹A天文选址及望远镜的研究工作。2006年底,我国天文学家和天文仪器专家共同提出了首批南极天文设备的研制计划,即中国南极小望远镜阵CSTAR的研制,已经安装在冰穹A,并开始观测。目前又开始第二批南极望远镜AST3(3台50cm口径大视场)的研制工作。

“这些望远镜计划的主力军有相当一部分是从LAMOST项目中成长起来的。”崔向群说。

 

http://www.sciencenet.cn/htmlnews/2009/6/219908.shtm

国家天文台兴隆观测站

http://www.xinglong-naoc.org/intro.jsp

基地基本情况


    国家天文台兴隆观测站拥有216CM光学望远镜126cm红外望远镜及与之配套的观测和研究设备。兴隆观测站还拥有85厘米反射望远镜、80厘米反射望远镜60/90厘米施密特望远镜60厘米反射望远镜,以及新建的100厘米望远镜50厘米望远镜。其中属于中科院光学天文联合开放实验室的2.16米和1.26米望远镜及其附属设备向国内外的天文学家开放,天文学家要经过申请并得到批准才有权使用望远镜。

    兴隆基地位于河北省兴隆县境内,在燕山山脉之中,它的地理位置和海拔高度为:


地理经度    东经117度34.5分(07h50m18s)
地理纬度    北纬40度23分36秒
海拔高度    960M


联系方式:


河北省兴隆县国家天文台兴隆观测站
邮编:      067300
电话:      0314--5520455---8000
传真:      0314--5520455---8302
E-mail:    xinglong@bao.ac.cn

光学天文联合实验室总部设在国家天文台内,它的通讯地址为:

地址 :      北京市朝阳区大屯路甲 20 号 中科院国家天文台 姜晓军
电话 :      010--64838796
传真 :      010--64873566
E-mail :    xinglong@bao.ac.cn

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