近日，清華大學(xué)精儀系和天文系聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合國際、國內(nèi)專家，在6.5m寬視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡（Multiplexed survey telescope，MUST）的概念設(shè)計(jì)方面取得重要突破。該望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)采用里奇-克萊琴結(jié)構(gòu)，結(jié)合五片超大口徑透鏡組成的改正鏡組，將實(shí)現(xiàn)具備世界領(lǐng)先的巡天效率和高質(zhì)量光譜信息探測(cè)。

該研究成果近日以“6.5m寬視場(chǎng)光譜巡天望遠(yuǎn)鏡（MUST）光學(xué)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)”（Conceptual Design of the Optical System of the 6.5m Wide Field MUltiplexed Survey Telescope with Excellent Image Quality）為題發(fā)表于國際著名光學(xué)刊物《光子X》（PhotoniX）。

天文學(xué)、天體物理學(xué)是研究宇宙空間天體、宇宙結(jié)構(gòu)和發(fā)展的科學(xué)，它跟所有自然科學(xué)一樣是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，望遠(yuǎn)鏡就是最重要的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)設(shè)備之一。天文學(xué)正以前所未有的速度發(fā)展，近十年來，天文發(fā)現(xiàn)多次榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但仍有許多關(guān)于宇宙本質(zhì)的前沿問題亟待解決。當(dāng)前，各國正在籌建新一代大型天文觀測(cè)設(shè)備。然而，這些設(shè)備缺乏后續(xù)的光譜后隨巡天。光譜觀測(cè)包括的紅移、視向速度、化學(xué)成分、星族構(gòu)成和運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)等物理參數(shù)是圖像觀測(cè)難以得到的信息。因此，多目標(biāo)光譜望遠(yuǎn)鏡可以在數(shù)十年里保持競(jìng)爭(zhēng)力和高產(chǎn)出，并且得到新的海量光數(shù)據(jù)，有望獲得重大新物理發(fā)現(xiàn)。在2022年夏季結(jié)束的國際高能物理學(xué)界的Snowmass2021學(xué)術(shù)規(guī)劃討論中，宇宙前沿（Cosmic Frontier）的報(bào)告中已明確指出：宇宙學(xué)的發(fā)現(xiàn)和未來對(duì)暗能量、暗物質(zhì)的探索迫切地需要第五代寬視場(chǎng)光譜巡天。基于對(duì)中大型光譜巡天望遠(yuǎn)鏡的急切需求，清華大學(xué)提出研制國際領(lǐng)先的、首個(gè)第五代寬視場(chǎng)光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，并將建設(shè)在中國青海省海西州冷湖賽什騰山臺(tái)址。

圖1. MUST的概念設(shè)計(jì)示意圖

清華大學(xué)MUST項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，依托清華大學(xué)天文技術(shù)中心，在清華大學(xué)精密儀器系和天文系的領(lǐng)導(dǎo)下，聯(lián)合華盛頓卡內(nèi)基研究所卡內(nèi)基天文臺(tái)、南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院、南京大學(xué)現(xiàn)代天文學(xué)和天體物理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)與專家，共同完成了MUST光學(xué)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)（如圖1所示）。設(shè)計(jì)完成的MUST光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示，其中主鏡采用6.5m直徑的蜂窩狀輕質(zhì)單鏡；副鏡采用2.4m直徑的凸雙曲面鏡，與凹雙曲面主鏡組合，構(gòu)成基本的里奇-克萊琴望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)焦比為F/3.6，總焦距為23323mm，可有效消除焦平面上的球差和彗差。與主鏡和副鏡一起，五透鏡的寬視場(chǎng)校正鏡組設(shè)計(jì)可以通過補(bǔ)償大氣色散和波前像差來提高圖像質(zhì)量。天體發(fā)出的0.365μm到1.100μm波段的光線通過光學(xué)系統(tǒng)后被焦面多達(dá)20000根光纖同步接收，傳輸至后端中高分辨光譜儀獲取豐富的光譜信息。

通過該光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的成像質(zhì)量。如圖3所示，0度天頂角時(shí)，MUST全視場(chǎng)內(nèi)的RMS彌散斑半徑均優(yōu)于21.1μm，系統(tǒng)像差得到有效控制。隨著觀測(cè)天頂角的增加，在最大50°天頂角下，RMS彌散斑半徑仍可精確控制優(yōu)于22.3μm、且視場(chǎng)中心RMS彌散斑半徑優(yōu)于16.6μm，這展示了所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)具備良好的大氣色散校正能力。在整個(gè)7平方度視場(chǎng)范圍和50°天頂角的巡天區(qū)域內(nèi)，80%環(huán)繞能量直徑均小于0.51角秒、且最小值達(dá)0.36角秒，可實(shí)現(xiàn)與終端光纖探測(cè)陣列的精準(zhǔn)匹配。除此之外，論文還分別介紹了光學(xué)系統(tǒng)在熱效應(yīng)和公差分析下的穩(wěn)定性，全面展現(xiàn)了該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

圖2.(a) MUST光學(xué)系統(tǒng)，其中M1為6.5米主鏡、M2為2.4米副鏡。(b) WFC由透鏡L1~L5組成。L1的背面(L1-B)、L2的正面(L2-F)、L3的正面(L3-F)、L5的背面(L5-B)為非球面

圖3.(a)-(c)MUST朝向0°、30°和50°天頂角方向。(d)-(f)不同天頂角下3°視場(chǎng)范圍內(nèi)的光斑圖案。圖中參考圓的尺寸為150μm（相當(dāng)于1.3角秒）。(g)-(i)在不同天頂角下各視場(chǎng)光斑的RMS半徑。(j)-(l)在不同天頂角下整個(gè)3°視場(chǎng)中的RMS光斑半徑分布。(m)-(o)在不同天頂角下環(huán)繞能量曲線。(p)不同天頂角下80%環(huán)繞能量直徑隨視場(chǎng)變化曲線。(q)不同天頂角下未漸暈光線比隨視場(chǎng)變化曲線。(r)不同天頂角下的最大畸變

設(shè)計(jì)完成的MUST望遠(yuǎn)鏡光學(xué)口徑達(dá)6.5米、視場(chǎng)7平方度、光纖數(shù)20000以上、光譜覆蓋0.365–1.10μm，其獲取光譜的能力是國際上目前同類設(shè)備的10倍以上，正處于目前國際天文望遠(yuǎn)鏡參數(shù)空間的重大空白，將有望在暗能量和暗物質(zhì)本質(zhì)、引力波、宇宙學(xué)、系外行星和星系形成等前沿科學(xué)方向上取得重大基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性突破。 論文第一作者為清華大學(xué)精密儀器系2021級(jí)博士研究生張藝凡，通訊作者為清華大學(xué)精密儀器系黃磊教授，清華大學(xué)天文系姜海嬌副研究員、蔡崢副教授為論文共同通訊作者。相關(guān)研究工作得到科技部“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)2030創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃、清華大學(xué)教育基金會(huì)、江陰-清華創(chuàng)新行動(dòng)專項(xiàng)、青?！袄鲇⒉拧庇?jì)劃等支持。

編輯：黃飛

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