時(shí)域巡天望遠(yuǎn)鏡如何給星空“拍照”

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日前，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)布仙女座星系圖片，在網(wǎng)絡(luò)上引發(fā)了廣泛關(guān)注。在驚嘆宇宙之美的同時(shí)，也有不少人好奇，像墨子巡天望遠(yuǎn)鏡這樣的時(shí)域巡天望遠(yuǎn)鏡是怎么給星空“拍照”的？它與現(xiàn)有的時(shí)域巡天項(xiàng)目相比有何不同？帶著這些問題，科技日報(bào)記者采訪了相關(guān)專家，探究時(shí)域巡天望遠(yuǎn)鏡給星空“拍照”的奧秘。

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù)之一是進(jìn)行時(shí)域巡天觀測。“巡天”是指對所有可觀測的天區(qū)分塊逐個(gè)進(jìn)行觀測，“時(shí)域”的意思是通過重復(fù)觀測同一天區(qū)或目標(biāo)的方法監(jiān)測天體亮度或其位置隨時(shí)間的變化。

那么，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡觀測天體的原理是什么？中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系副主任范璐璐在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)介紹，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，具有視場大、像質(zhì)高的特點(diǎn)。它能快速、反復(fù)地給大面積天區(qū)范圍內(nèi)的暗弱天體“拍照”，并利用重復(fù)拍攝的照片形成天體亮度或位置變化的動(dòng)態(tài)圖，搜尋宇宙中動(dòng)態(tài)變化的天文事件。

范璐璐介紹，作為一臺(tái)主焦式望遠(yuǎn)鏡，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡就像一個(gè)在焦點(diǎn)上倒扣了一臺(tái)單反相機(jī)的主反射鏡。只不過，單反相機(jī)直接接收平行光，而墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的主焦裝置收集的是來自主反射鏡的光。據(jù)介紹，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡使用一個(gè)反射鏡和一組透鏡組成一個(gè)近似固定焦距的“相機(jī)”。這組透鏡包括5塊改正鏡和2塊大氣色散改正鏡。其中5塊改正鏡的作用是改正各種類型的光學(xué)像差，在3度大視場范圍內(nèi)保證天體圖像像質(zhì)優(yōu)良；大氣色散改正鏡可用于糾正大氣折射導(dǎo)致的色散效應(yīng)。

“墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的視場大小約為6.5平方度。”范璐璐解釋道，“換句話說，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡拍一幅圖，覆蓋天空的面積有33個(gè)滿月那么大。如果只使用一片濾光片，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡只需3個(gè)夜晚，觀測的天區(qū)就可以覆蓋整個(gè)北天球。”

此外，根據(jù)研究的動(dòng)態(tài)事件的不同，巡天望遠(yuǎn)鏡的拍攝頻次也不相同。范璐璐表示，目前，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡有兩套巡天計(jì)劃。一套計(jì)劃巡天面積較小（幾百平方度）、頻次較高（每晚同一天區(qū)觀測多次）并且曝光時(shí)間較長（曝光90秒），旨在搜尋快速變化的動(dòng)態(tài)事件；另一套計(jì)劃巡天面積較大（數(shù)千平方度）、頻次較低（每周同一天區(qū)觀測多次），曝光時(shí)間適中（曝光30秒）。

與其他光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相比，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡有哪些特點(diǎn)？墨子巡天望遠(yuǎn)鏡副總設(shè)計(jì)師、大視場巡天科學(xué)研究團(tuán)組首席研究員鄭憲忠在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)介紹，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡具備強(qiáng)大巡天能力，能夠獲得大量圖像觀測數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家能開展多方面的天文學(xué)研究，產(chǎn)出科學(xué)成果。比如，它可對天空進(jìn)行重復(fù)掃描觀測，通過對比圖像，探測在天球上移動(dòng)的太陽系天體，并能發(fā)現(xiàn)亮度變化的天體和類似超新星這樣的爆發(fā)事件。此外，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡還可通過疊加持續(xù)積累的觀測數(shù)據(jù)提升觀測的深度，使科學(xué)家能看到更遠(yuǎn)、更暗的天體，深入認(rèn)識(shí)銀河系和近鄰宇宙的結(jié)構(gòu)。

范璐璐也表示，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡使用了國際先進(jìn)的主焦系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)。它的相機(jī)采用9片9K×9K像素的科學(xué)級(jí)CCD（即電荷耦合器件）拼接而成，其科學(xué)成像總像素達(dá)7.6億。相機(jī)同時(shí)集成了波前傳感CCD和導(dǎo)星CCD，是國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)大靶面高精度拼接的“三合一”主焦相機(jī)。

此外，范璐璐介紹，與其他時(shí)域巡天項(xiàng)目相比，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡具有多個(gè)方面的優(yōu)勢。首先，相比于之前的時(shí)域巡天望遠(yuǎn)鏡——美國茲維基瞬變源探測設(shè)施，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑更大，相同曝光時(shí)間下具有更高的靈敏度，這不僅能使它夠探測到更暗弱的動(dòng)態(tài)事件，也有利于其更早地捕捉到動(dòng)態(tài)事件，研究動(dòng)態(tài)事件的早期變化，及時(shí)開展后隨觀測。其次，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址位于我國青海省海西州冷湖鎮(zhèn)賽什騰山天文臺(tái)址C點(diǎn)，海拔4200米左右，觀測條件好，光污染極低，視寧度好。

“另外，得益于高海拔臺(tái)址和特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡的紫外u波段靈敏度高，而現(xiàn)有的ZTF巡天沒有紫外u波段。”范璐璐坦言，“高能動(dòng)態(tài)事件在紫外波段的變化更為顯著。墨子巡天望遠(yuǎn)鏡將開展北半球獨(dú)特的紫外u波段時(shí)域巡天，這有利于科學(xué)家更深入地研究這些事件。”