北半球巡天能力最强光学望远镜将诞生!我国WFST项目开工

拟投资2亿元的天文望远镜项目,近日在青海省冷湖观测基地举行了奠基仪式。

这是一台2.5米口径光学望远镜,名为中国科学技术大学-中国科学院紫金山天文台大视场巡天望远镜(Wide-Field Survey Telescope, 简缩为WFST),由中国天文学家自主建造的科学装置。5月11日,WFST基建项目在冷湖正式开工。

对中国科学院紫金山天文台研究员郑宪忠来说,这是值得纪念的一天。因为,距离WFST项目提出已将近10年。他从项目酝酿之初就开始参与,现为WFST副总设计师。

这个用了近10年才开始破土动工的科学装置,会带来什么惊喜?

三大核心科学目标

美国也有一个口径2.5米的透镜望远镜——斯隆望远镜(SDSS),和WFST一样,都是在焦面上覆盖CCD探测器。

“斯隆望远镜兼具光谱观测和图像观测能力,而WFST只进行图像观测,在光谱观测上没有太多优势。”郑宪忠告诉科技日报记者,“但是,WFST的CCD探测器覆盖面积更广,图像观测能力是斯隆的5倍。因此,我们能开展深度时域巡天,就像给天空拍电影一样。”

另外,WFST集光效率更高,像质优于斯隆望远镜。斯隆望远镜首光时间是1998年,相比之下,更年轻的WFST使用了更先进的技术,比如采用国际先进的主焦光学系统设计。郑宪忠表示,WFST建成后将成为北半球巡天能力最强的光学望远镜。

据介绍,WFST有三大核心科学目标。

第一个是进行大规模时域巡天。时域天文学是研究天体性质随时间改变的规律,一般的研究目标包括引力波事件电磁对应体、超新星、潮汐瓦解事件等暂现源,和变星、耀发星、耀变体及活动星系核等光变天体。

通过时域天文学研究,可以监测宇宙中很多未知事件,比如理论上预测到但还没有观测确认到的现象,或发现一些从未被理论预知过的新现象。

“2.5米大视场巡天望远镜,在天文学上的魅力就在于发现可以开辟新研究方向的未知事件和现象。长期监测广袤的宇宙,便得以窥探宇宙深处的秘密。”郑宪忠说。

第二个是搜寻外太阳系的天体,比如柯伊伯带的天体。郑宪忠介绍,相比较水星、金星等,外太阳系的天体距离太阳较远,比较暗弱且移动缓慢,通过多次重复观测,WFST可以对外太阳系的天体进行一次普查。

第三个是在银河系结构和近场宇宙学研究领域取得突破。针对被观测的天体,WFST可在不同波段进行上百次的观测,探测灵敏度呈数量级提升。

通俗来说,WFST可以“盯着”一块天区,进行多次曝光拍照监测,图像叠加后能探测到更远、更暗的星体,并对这些星体的空间分布和组成进行精细的刻画。

比如,研究被捕捉而掉落进银河系的行星卫星星系及其星流,从而对银河系形成历史有更深入了解,或是通过精微细致的观测图像研究近邻宇宙的结构。

我国自主设计研发

记者了解到,WFST望远镜项目分为望远镜本体、主焦相机、望远镜圆顶台址和数据存储分析四大分系统。

郑宪忠告诉记者,WFST的设计制造大部分采用国产部件。“随着我国工业制造能力提升,国内高精尖设备研发制造能力提升很快。比如,WFST的光学设计由我们自主完成,主镜本体和主焦相机就由国内单位自主加工建造。”

不过,有些关键部件还需要进口,包括望远镜本体中使用的微晶玻璃材料,以及主焦相机上使用的CCD探测器芯片。

微晶玻璃刚度高、绝缘性能优良、介电常数稳定,关键是热膨胀系数极小,且耐化学腐蚀、耐磨、耐高温。

微晶玻璃煅烧难度大,WFST使用的微晶玻璃从德国进口。

CCD探测器芯片每块边长略大于9厘米,看起来与人的手掌大小差不多。WFST会在CCD探测器上拼接使用9块(3×3)芯片。

郑宪忠说,手机上使用的CMOS芯片能达到千万级别的像素就已很厉害。而CCD探测器芯片的单片像素为8500万,所以,WFST单幅曝光图像就能达到7亿多像素。相比常用单反相机,WFST可以说是一个超级相机。

“但我们自己造不了科学级CCD探测器芯片。WFST是从半导体制造公司Teledyne e2v采购的。每一块芯片的进口价约180万元人民币。”郑宪忠告诉科技日报记者。

受新冠疫情影响,CCD探测器芯片的交付晚于预定时间。如果接下来进展顺利,WFST有望于2022年上半年完成安装,并于明年夏天开始调试。

一次成功的合作模式

WFST项目顺利开展,离不开深度合作。

2012年,紫金山天文台时任台长杨戟开始酝酿WFST项目,由郑宪忠牵头推动。接下来的几年,紫金山天文台WFST项目组与国内天文同行和南京天文光学技术研究所等国内光机单位开展合作,不断推进预研工作——确定科学目标、设计方案、技术指标、探测器方案以及光学、机械、电控等分系统等。

但申请经费多次碰壁,直到与中国科学技术大学开展科教融合,事情才有了转机。

在双方合作共建中国科学技术大学天文与空间科学学院的基础上,2018年3月,WFST项目启动会在中国科学技术大学召开,项目获得中国科学技术大学“双一流”平台建设支持。

“WFST不仅是我们自主创新的原研设备,从合作模式上看也意义重大。”郑宪忠说。

中国科学院前沿科学与教育局数理化学处副处长毛羽丰表示,通过开展科教融合,并在“双一流”平台的支持下共建WFST,将对中国科技大学天文学科建设成世界一流学科起到重要推动作用。

郑宪忠表示,WFST望远镜项目能顺利开工,也离不开青海省的大力支持。“冷湖地处偏远,物资缺乏,望远镜又是在赛什腾山顶建造,从人力、物力、财力上看,投资成本肯定比正常水平翻倍。”

据国家天文台首席研究员邓李才介绍,从各方面看,冷湖赛什腾山具备建成世界级优良天文台址的条件,不少望远镜项目酝酿在此落户。

值得欣喜的是,中国天文学科发展迅速,已从利用国外装置获取的数据阶段迈向研制观测设备获取一手数据的新阶段。

(受访者供图)

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