2022年10月31日，由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“上海天文臺(tái)”）研制的我國(guó)首臺(tái)基于漂移掃描CCD技術(shù)的短時(shí)標(biāo)時(shí)域天文望遠(yuǎn)鏡陣“南極天目”的原型機(jī)搭載中國(guó)第39次南極科考船前往南極。樣機(jī)抵達(dá)中山站后，在中國(guó)極地研究中心的大力支持和協(xié)助下，快捷順利地完成了設(shè)備安裝及調(diào)試。2023年2月20日開始正式觀測(cè)至10月26日觀測(cè)結(jié)束，在極夜期間獲得了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)觀測(cè)圖像的初步分析結(jié)果表明，原型機(jī)曝光30秒的圖像中亮于9等恒星的測(cè)光精度可以達(dá)到千分之一星等。原型機(jī)在中山站連續(xù)進(jìn)行了248天無(wú)故障觀測(cè)，標(biāo)志著原型機(jī)設(shè)計(jì)思路合理可行，為后續(xù)建設(shè)南極天目望遠(yuǎn)鏡陣列奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
極光下的“南極天目”望遠(yuǎn)鏡原型機(jī)
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隨著技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)代天文學(xué)已經(jīng)從刻畫靜態(tài)宇宙發(fā)展到認(rèn)識(shí)動(dòng)態(tài)宇宙。通過(guò)長(zhǎng)期多波段觀測(cè)揭示宇宙中各類天體的變化并發(fā)現(xiàn)和探索各類新天體、新現(xiàn)象，這就是天文學(xué)中新興的分支學(xué)科——時(shí)域天文學(xué)。在超新星（2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）、引力波事件（2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）、系外行星（2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）等方面，時(shí)域天文學(xué)已經(jīng)產(chǎn)出了一大批重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。未來(lái)10年至20年，時(shí)域天文學(xué)將成為天文學(xué)中引領(lǐng)性的、“金礦”型重大前沿領(lǐng)域。
當(dāng)代時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)研究期待能夠在小于1天的時(shí)間尺度上觀測(cè)到快速射電暴、引力波源、超新星爆發(fā)、高能中微子、伽瑪射線暴、Ia型超新星、恒星被大質(zhì)量黑洞潮汐瓦解、極亮X射線暴、耀星和典型新星等各類快速變化天象?；谶@類研究熱點(diǎn)，時(shí)域天文學(xué)巡天項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)快周期、連續(xù)性的觀測(cè)，因此設(shè)備研制、觀測(cè)模式及觀測(cè)地點(diǎn)都需要與短時(shí)標(biāo)時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)特殊需求進(jìn)行對(duì)標(biāo)研究。
南極因其特殊的地理位置和環(huán)境，在短時(shí)標(biāo)時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。每年長(zhǎng)達(dá)上百天的極夜，能夠開展連續(xù)觀測(cè)，有利于在第一時(shí)間捕捉到天體短時(shí)標(biāo)快速變化和暫現(xiàn)源等極早期的天象。此外，南極夜天光背景暗、大氣透明度高、部分臺(tái)址晴夜數(shù)很高，是開展高精度測(cè)光觀測(cè)的理想地點(diǎn)。自2008年以來(lái)，我國(guó)天文學(xué)家已經(jīng)在南極開展了多次天文觀測(cè)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)，例如南極CSTAR望遠(yuǎn)鏡，南極巡天望遠(yuǎn)鏡（AST3）計(jì)劃、南極亮星巡天望遠(yuǎn)鏡(BSST)等。
為充分利用南極在短時(shí)標(biāo)時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)方面的特殊優(yōu)勢(shì)，結(jié)合已有的技術(shù)儲(chǔ)備并充分考慮南極特殊的自然條件。上海天文臺(tái)提出了基于漂移掃描CCD技術(shù)的短時(shí)標(biāo)時(shí)域天文觀測(cè)陣（簡(jiǎn)稱“南極天目”）的計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)巡天速度快、連續(xù)不間斷觀測(cè)、探測(cè)能力深的三個(gè)科學(xué)需求?！澳蠘O天目”項(xiàng)目計(jì)劃在南極地區(qū)布設(shè)由100臺(tái)小口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡組成望遠(yuǎn)鏡陣列，單個(gè)望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)約100平方度，可覆蓋地平高度30度以上1萬(wàn)平方度的天區(qū)，在每年的極夜期間開展連續(xù)觀測(cè)，力爭(zhēng)在短時(shí)標(biāo)時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)研究領(lǐng)域率先取得重大突破。
“南極天目”原型機(jī)設(shè)計(jì)示意圖與照片
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2019年至2021年間，在中國(guó)科學(xué)院天文大科學(xué)中心和上海天文臺(tái)重點(diǎn)培育項(xiàng)目的支持下，上海天文臺(tái)光學(xué)天文技術(shù)研究室望遠(yuǎn)鏡研制團(tuán)隊(duì)開展了南極天目原型機(jī)的研制。
設(shè)計(jì)思路是將望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)所有設(shè)備放置在密封及隔熱性能優(yōu)良的可控溫圓頂內(nèi)，利用漂移掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)，借助衛(wèi)星通訊實(shí)現(xiàn)上海控制端與南極設(shè)備端之間的信息傳輸。這樣的一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路具有顯著的技術(shù)創(chuàng)新性，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)需驅(qū)動(dòng)，無(wú)需拆裝，可整體運(yùn)輸，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單便捷，快速就能開展觀測(cè)，不但能提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，同時(shí)也極大方便了在南極的調(diào)試與安裝?！霸撛蜋C(jī)是上海天文臺(tái)放置在南極的首個(gè)觀測(cè)設(shè)備，也是我國(guó)首臺(tái)基于漂移掃描CCD技術(shù)的南極天文觀測(cè)設(shè)備。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海天文臺(tái)正高級(jí)工程師周丹表示，“該設(shè)備觀測(cè)技術(shù)獨(dú)特，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度、可靠性、能源利用率都比較高，且研制和運(yùn)行成本低。通過(guò)在中山站實(shí)際觀測(cè)調(diào)試和數(shù)據(jù)分析，可為未來(lái)分期布設(shè)望遠(yuǎn)鏡陣，最終實(shí)現(xiàn)南極天目計(jì)劃提供重要參考依據(jù)。”
本項(xiàng)目中，上海天文臺(tái)科研團(tuán)隊(duì)將臺(tái)內(nèi)近20年持續(xù)攻關(guān)積累的漂移掃描CCD技術(shù)應(yīng)用于“南極天目”原型機(jī)的研發(fā)中。漂移掃描CCD技術(shù)利用電荷逐行轉(zhuǎn)移原理，通過(guò)控制轉(zhuǎn)移速度，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡靜止時(shí)電荷跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的功能。漂移掃描CCD技術(shù)學(xué)術(shù)帶頭人正高級(jí)工程師于涌表示：“將這種技術(shù)應(yīng)用于一體式設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡，可以使望遠(yuǎn)鏡在無(wú)需驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的情況下也能跟蹤天體，這顯著提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，采用漂移掃描CCD可以對(duì)一條赤緯帶天區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，可顯著提升巡天效率?！?
2019年至2021年間，團(tuán)隊(duì)開展了南極天目望遠(yuǎn)鏡原型機(jī)的方案設(shè)計(jì)、軟硬件研制、安裝調(diào)試與測(cè)試等工作。2021年8月與11月在上海的低溫實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行了兩次為期14天的原型機(jī)低溫測(cè)試（-60 ）并取得了重要數(shù)據(jù)。2021年9月至12月完成了望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試以及安裝調(diào)試。為了驗(yàn)證設(shè)備在低溫環(huán)境下運(yùn)行情況，2022年1月至3月將原型機(jī)運(yùn)至內(nèi)蒙古海拉爾進(jìn)行了為期兩個(gè)月的外場(chǎng)試觀測(cè)，期間夜間氣溫最低達(dá)到了-38 ，原型機(jī)工作穩(wěn)定，觀測(cè)到大量數(shù)據(jù)，并及時(shí)傳回上?？刂贫恕Ｍ瑫r(shí)，當(dāng)恒溫艙內(nèi)溫度降至5 （設(shè)備設(shè)定溫度）以下時(shí)，加熱系統(tǒng)就開始自動(dòng)工作，維持艙內(nèi)溫度在5 左右。在內(nèi)蒙古的測(cè)試驗(yàn)證了原型機(jī)性能和可靠性，具備前往南極參加科考試驗(yàn)的能力。
疫情期間科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行夜間測(cè)光調(diào)試
科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行調(diào)焦實(shí)驗(yàn)
在上海的低溫試驗(yàn)室測(cè)試樣機(jī)
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“南極天目”原型機(jī)于2022年10月31日搭載中國(guó)第39次南極科考船前往南極，2023年1月到中山站后順利開展了安裝及設(shè)備調(diào)試，2023年2月20開始正式觀測(cè)。傳回的觀測(cè)圖像質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)一致，滿足預(yù)期要求。自3月初開始，團(tuán)隊(duì)開展了漂移掃描觀測(cè)及測(cè)試，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，曝光30秒的情況下，亮于9等的恒星的測(cè)光精度可以達(dá)到千分之一星等。5月21日至7月15日南極中山站進(jìn)入極夜，設(shè)備順利實(shí)現(xiàn)了每天24小時(shí)連續(xù)觀測(cè)測(cè)試。極夜過(guò)后，7月15日至10月26日期間，在天氣晴好的狀態(tài)下繼續(xù)開展觀測(cè)工作。10月26日后由于中山站地區(qū)逐漸進(jìn)入極晝，已關(guān)閉設(shè)備等待開啟下一年觀測(cè)任務(wù)。
2022年10月底，“南極天目”原型機(jī)搭載第39次南極科考船前往中山站前，部分研究團(tuán)隊(duì)成員合影
本觀測(cè)季累計(jì)獲取觀測(cè)圖像174,630幅，數(shù)據(jù)總量（含測(cè)試數(shù)據(jù)）3.35TB。原型機(jī)的安裝、調(diào)試過(guò)程順利。試觀測(cè)期間，設(shè)備經(jīng)受了最低氣溫-37.3攝氏度，最高風(fēng)速38.6米/秒的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，保持穩(wěn)定運(yùn)行，觀測(cè)像質(zhì)優(yōu)異，體現(xiàn)了基于漂移掃描CCD技術(shù)的一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路在極地天文領(lǐng)域應(yīng)用的巨大優(yōu)勢(shì)，能夠有效克服南極嚴(yán)酷自然環(huán)境帶來(lái)的限制，同時(shí)也使得觀測(cè)設(shè)備具備在交通不便的極地環(huán)境中能夠方便安裝調(diào)試、快速開展觀測(cè)的能力。
上海天文臺(tái)端接收到的“南極天目”原型機(jī)觀測(cè)圖像，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了恒星認(rèn)證
星象像質(zhì)測(cè)試，半高全寬（FWHM）分布在曝光10秒、30秒情況下，F(xiàn)WHM分布在1.2至2.5個(gè)像素之間，與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)保持一致。
不同曝光時(shí)間所拍攝的星的光變曲線精度。曝光30秒的情況下亮于9等的星的精度可以達(dá)到千分之一左右（x軸為V星等，y軸為光變曲線的RMS）
該項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人、上海天文臺(tái)工程師祝杰表示：“基于漂移掃描CCD技術(shù)的南極天目原型機(jī)已在極地環(huán)境中正常觀測(cè)超過(guò)半年，在觀測(cè)模式上進(jìn)行了充分的測(cè)試，并在南極極夜期間持續(xù)獲得大量觀測(cè)圖像，沒有發(fā)生任何系統(tǒng)性的故障，顯示出良好的穩(wěn)定性和可靠性。這表明原型機(jī)的設(shè)計(jì)思路確實(shí)能夠有效解決長(zhǎng)期以來(lái)嚴(yán)重影響南極天文望遠(yuǎn)鏡經(jīng)常出現(xiàn)的故障和技術(shù)問(wèn)題。”
“南極天目”原型機(jī)是上海天文臺(tái)內(nèi)首個(gè)在自主部署項(xiàng)目的支持下順利研發(fā)并成功放置在南極的觀測(cè)設(shè)備，后續(xù)團(tuán)隊(duì)將系統(tǒng)分析處理原型機(jī)觀測(cè)獲得的原始圖像數(shù)據(jù)，總結(jié)原型機(jī)試驗(yàn)觀測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大觀測(cè)視場(chǎng)，優(yōu)化能耗分配，并在此基礎(chǔ)上，研制南極時(shí)域天文觀測(cè)陣的正樣設(shè)備，力爭(zhēng)分批布設(shè)在南極泰山站或者昆侖站，助力我國(guó)在短時(shí)標(biāo)時(shí)域天文學(xué)觀測(cè)和研究領(lǐng)域取得重大成果。
科學(xué)聯(lián)系人：
祝杰，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，jzhu@shao.ac.cn
于涌，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，yuy@shao.ac.cn
周丹，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，dzhou@shao.ac.cn
