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LAMOST——与众不同的望远镜结构

时间: 2021-08-05 16:27:04 | 作者：拉格朗日L2 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 109次

LAMOST——与众不同的望远镜结构

近期郭守敬望远镜（LAMOST）发现迄今最大的恒星级黑洞的消息一度引发大家对LAMOST的关注。对于该望远镜，网上褒贬不一，并且有很多人不了解这台大型望远镜，笔者就此展开望远镜结构科普以及发表自己的看法。

我国为什么要研发制造这台望远镜？

改革开放以来，大型科学基础设施的建设逐步成为我国科技创新的重点领域之一。这类设施的建设常被称为“大科学工程”。诸如北京正负电子对撞机、上海光源、LAMOST 巡天望远镜等，都是突出例子。

以下为LAMOST发展历史，节选自百度百科。

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。以王绶琯、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。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。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。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。

可以看到，建设郭守敬望远镜从想法到立项再到完全建成，跨越了近20年时间，经历了几代天文学家。最大的功劳当属王绶琯、苏定强院士，他们对LAMOST的贡献功不可没。

LAMOST的基本信息

图1. LAMOST模型
郭守敬望远镜，为什么又叫LAMOST？

我们知道将其命名为郭守敬望远镜当然是为了纪念我国著名古代天文学家“郭守敬”，至于他究竟搞了啥大事情，这里就不赘述了。那么LAMOST，显然是他的英文缩写，即全称：大天区面积（Large Sky Area）多目标（Multi-Object）光纤光谱（Fiber Spectroscopy）天文望远镜（Telescope）。

大致结构

名字这么长，当然也配得上他的体积和能力。LAMOST由光学系统、机械结构系统、控制系统、光纤系统、光谱仪和CCD、计算机集成和观察室共7个系统构成。当然它最大的特色是他的光学系统极其巧妙的设计，其实就是施密特反射式望远镜，但和我们平时看到的很不一样。

他的光线先经过反射镜反射到球面主镜片上，然后反射至焦面的4000根光纤，最后导入光谱仪利用光栅分散成光谱。

下面我就来详细说一说。

图2. LAMOST结构

施密特改正镜

一般天文爱好者都知道施卡的结构，光线进入望远镜时首先要经过一个改正镜来消除球差。但是大家会发现LAMOST望远镜的样子并不是我们常看到的那样。

神奇的是，它的“镜筒”是不能转动的，而且前端并没有开口。这是因为LAMOST的施密特改正镜和主镜分隔开了。而且由原本的折射镜片改成了反射式镜片。

为什么要这样大费周折？

有经验的人都知道反射望远镜和折射望远镜在同口径下价钱差距。为什么折射更贵？那是因为折射透镜难磨制！

如果镜片又大又重，本身制造就困难，气泡与杂质难以完全消除，再加上重力引起形变的问题，对于科研级别的大型望远镜来说显然是不符合要求的。

普通的施密特望远镜

下图是LAMOST的施密特改正镜，对于其本身的设计也有很多可圈可点的地方。

图3. LAMOST施密特改正镜
“中星仪”式设计

望远镜最常用的就是赤道仪结构，符合天球运行规律，再次是经纬仪。然而由于LAMOST口径4m，又采用了施密特反射式结构，镜筒变得相当粗长，机械跟踪装置无法安装。

于是科学家选择抛弃一部分主动观测能力，换来工程的可行性。科学家们设计了可绕水平轴转动调整高度角的镜片，底部有方位转动机构，但范围有限。需要利用地球的自转，只能观测处于上中天附件的天体。所以说，LAMOST的设备不仅仅是整个系统本身，地球也是其不可分割的一部分。

这一“画龙点睛”之笔，最终成就了郭守敬望远镜。

图4. 国家天文台兴隆观测基地
镜片拼接技术

镜片本身也有很大特点。LAMOST的镜片不是一整块，而是由24块小镜子拼接而成。毕竟4m口径的大镜子很难做，就算做出来也达不到效果。在此之前，我国在该技术方面的尝试和经验为0。这是LAMOST研制过程的巨大难题，并且是不能绕过的坎（这并不是简单的技术）。对于该技术，詹姆斯韦伯空间望远镜就是很好的例子（一度延迟发射，哈勃都等急了）。

图5. 詹姆斯·韦伯空间望远镜
主动光学与镜面支撑系统

此处借用 @钟本立 的图用一下，每一块镜片下面都有很多支架，这些支架可不是支撑功能那么简单，由于施密特改正镜的作用是消除球差，而这片会动的镜片不可能做到在各个方向上改变球差，于是就要借助外力使其产生不同的形变来完成。通过镜面支撑系统对镜片的“推”与“拉”，使24块镜片按照要求形变。从而达到获得合适形状，消除球差的目的。

图6. 郭守敬望远镜施密特改正镜实拍图

主反射镜

主反射镜是球面镜，由37块镜片构成，用于接收施密特改正镜反射的光，并反射汇聚到焦面的光纤上。

（这张照片没拍好，大家别看人就行）

图7. 国家天文台兴隆观测基地讲解员正在介绍郭守敬望远镜

焦面光纤

图8. 焦面

LAMOST的焦面由4000根光纤组成，望远镜收集来自天体的微弱光芒，成像在焦面上。焦面上的光纤，将天体的光传输到光谱仪的狭缝上（光栅衍射），通过光谱仪分光后由CCD同时获得大量天体的光谱。这也是技术难点，大多数天体本来就暗，在经过光谱的分离就更暗了。我相信写到这里，大家应该可以感受到这座望远镜的建成是多么艰难，同时多么伟大。

图9.焦面模型

多光纤定位技术

我们知道不同角度看星星的位置是不一样的，那么星光要如何准确进入光纤呢，移动星星显然不现实，不如就把光纤做成动态的。

这里的每一根光纤都由两个杠杆操控。下视频取自哈工大版《理论力学》，（因为我不会做动态图，哭）。

我们可以看到这个机构可以使物体沿着径向运动，倘若去掉视频中限制的槽，就可以实现360度沿着不同方向做直线运动。有了径向长度与转动角度，相当于一个覆盖圆面的极坐标，实现无死角覆盖。4000个小圆交叠便组成了焦面。

视频1. 杠杆动态示意图https://www.zhihu.com/video/1184508010872909824
1993 年，苏定强致信其学生崔向群，希望她能参与这个项目。当时，崔向群正在欧洲南方天文台参加当时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，崔向群回国，承担起LAMOST 项目的立项和预研中的大量技术工作。当年 7 月，崔向群和我国另一位天文学家褚耀泉在英国的一次国际会议上报告了这个方案，引起了强烈反响。LAMOST 前瞻性的设计思想和首创的工程实施方案得到了国际天文学界的赞许。然而，随之而来的则是国内天文学界的广泛质疑。有人认为连外国科学家都研制不出来的东西，我国科学家也很难取得成功 。毕竟，LAMOST 在口径、视场和光纤数目三者的综合指标上超过了所有国际上当时已完成的或正在进行的大视场多目标光纤光谱巡天计划，而且其核心技术——薄镜面拼接加变形的主动光学和 4000 根光纤定位技术——均属国际首创。

然而中国科学家做到了，LAMOST成功研制，使得中国在天文望远镜研制上取得了巨大进步，多项技术上走在国际前沿。

对比国外的斯隆数字巡天（SDSS），LAMOST有更多的优势：

口径：2.4m vs 4m光纤数量：640 vs 4000光纤定位：使用铝板打孔 vs 自动电位

然而不幸的是，LAMOST在设计完成后极限星等未达到最初设定的要求，使得河外巡天任务泡汤。但河内巡天之前SDSS已经基本完成，使得LAMOST处于尴尬的境地。

但是，我们不能因为它有缺陷就无情地吐槽。有缺陷当然要承认，但它同时凝结了中国无数优秀科学家的心血，这是一个伟大的工程，有人觉得中国科研实力不行，但是从LAMOST建造过程中攻克的重重困难可以看出，中国不怕技术封锁，认真做事，也可以创造出别人难以企及的成就。

希望LAMOST可以继续出新的成果。

图10. 仰望LAMOST

本人才疏学浅，如有不对的地方，欢迎批评指正。

References：1.LAMOST——大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜2.李俊峰，LAMOST工程的立项、建设与运行3.周国华，LAMOST反射施密特改正镜新型镜罩设计4.百度百科，LAMOST望远镜
文章标题: LAMOST——与众不同的望远镜结构
文章地址: http://www.xdqxjxc.cn/jingdianwenzhang/118461.html
文章标签：天文科普  天体物理学  天文学
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