中國反射施密特式郭守敬望遠(yuǎn)鏡

郭紅鋒

中國趕超世界的大口徑望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃

20世紀(jì)80年代前，中國幾乎沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型專業(yè)天文望遠(yuǎn)鏡。改革開放以來，我國國力日漸增強(qiáng)，也陸續(xù)自主研制了一些1-2米級的望遠(yuǎn)鏡，但與世界水平相比還有很大差距。

20世紀(jì)90年代，以王授琯院士、蘇定強(qiáng)院士為首的科學(xué)家提出了“反射施密特式望遠(yuǎn)鏡”方案。該方案瞄準(zhǔn)國際天文屆亟待解決的大口徑與大視場的矛盾，希望開辟中國自主研制大口徑望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展道路。后來，在崔向群院士帶領(lǐng)下，中國建設(shè)者于2008年建成大口徑望遠(yuǎn)鏡并安裝在國家天文臺興隆觀測基地，成為中國首個(gè)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、同類設(shè)備國際領(lǐng)先的大型光學(xué)天文儀器。該望遠(yuǎn)鏡于2010年經(jīng)征集命名為“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”，2011年對外開放使用。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡，全稱“大天區(qū)面積、多目標(biāo)、光纖、光譜天文望遠(yuǎn)鏡”，英文名為“Large Sky Area Multi-ObjectFibre Spectroscopic Telescope （縮寫LAMOST）”。這個(gè)名稱很長，代表很多意思。

第一，它具有一次觀測“ 大天區(qū)面積”的能力，就是說它的視場很大，是同等口徑常規(guī)望遠(yuǎn)鏡的5倍以上，達(dá)到20多平方度;

第二，這么大的視場，適合于一次觀測多個(gè)目標(biāo)（設(shè)計(jì)達(dá)到4000個(gè)之多），大大提高了觀測效率;

第三，采用先進(jìn)的光纖傳輸光路，保證多目標(biāo)光線的精確收集和傳輸;

第四，它觀測的是天體目標(biāo)的光譜信息，內(nèi)含比簡單測光更加豐富的天體物理數(shù)據(jù)。

可以說，這些優(yōu)點(diǎn)都得益于郭守敬望遠(yuǎn)鏡巧妙創(chuàng)新的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新技術(shù)的應(yīng)用。截至目前，它是我國最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，也是世界上最大口徑的大視場望遠(yuǎn)鏡和光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡，使中國進(jìn)入了世界上少數(shù)幾個(gè)具備自主研制巨型望遠(yuǎn)鏡能力的國家。

反射施密特式郭守敬望遠(yuǎn)鏡的創(chuàng)新點(diǎn)

前面我們已經(jīng)講過，施密特望遠(yuǎn)鏡光路的巧妙之處在于用一塊波浪形的折射改正鏡放在球面反射主鏡的前面，改正球差，并使望遠(yuǎn)鏡有較大的視場。后人對施密特望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了各種改進(jìn)，產(chǎn)生了多種施密特式望遠(yuǎn)鏡類型。例如把施密特改正鏡的折射透鏡改為反射鏡，口徑做得更大，進(jìn)而發(fā)展出更大口徑的施密特式望遠(yuǎn)鏡。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)屬于反射施密特式望遠(yuǎn)鏡，但也在多個(gè)環(huán)節(jié)做了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

第一個(gè)創(chuàng)新，是采用主動光學(xué)控制反射式施密特改正鏡。前期文中我們講過主動光學(xué)技術(shù)，是20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的，在望遠(yuǎn)鏡背面安裝促動器，由計(jì)算機(jī)控制來矯正大型望遠(yuǎn)鏡鏡面形狀，使其維持在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中鏡面形狀不變形的先進(jìn)技術(shù)。而在郭守敬望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)中，科學(xué)家非常巧妙地利用主動光學(xué)技術(shù)，來矯正施密特反射改正鏡的形狀，不是讓它維持形狀不變，而是控制它根據(jù)需要改變面型。就是說，改正鏡的面型不是傳統(tǒng)的固定形狀，而是由主動光學(xué)控制，根據(jù)觀測目標(biāo)的需要而改變形狀。這個(gè)改正鏡還采用了國際最先進(jìn)的拼接鏡面技術(shù)，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了在大尺度鏡面上同時(shí)采用主動變形和拼接鏡面技術(shù)，使改正鏡口徑做到4米級（一般折射透鏡很難做到1米以上）。因此，郭守敬望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)指標(biāo)才能達(dá)到1.8米直徑的超大焦平面和5度的超大視場角。

第二個(gè)創(chuàng)新，是分區(qū)工作并行控制的光纖定位技術(shù)。郭守敬望遠(yuǎn)鏡超大視場可以在焦面上放置多達(dá)4000根光纖（目前國外同類望遠(yuǎn)鏡的光纖數(shù)最多為640根），每根光纖對準(zhǔn)一個(gè)天體目標(biāo)，一次就可以觀測4000個(gè)目標(biāo)，大大提高了觀測效率。然而這4000根光纖的精確定位，也是該望遠(yuǎn)鏡面臨的新挑戰(zhàn)。得益于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制和高精度測量技術(shù)的應(yīng)用，郭守敬望遠(yuǎn)鏡首創(chuàng)國際領(lǐng)先的分區(qū)工作并行控制的光纖自動定位，保證了光纖在焦面上精確地對準(zhǔn)目標(biāo)。

此外，該望遠(yuǎn)鏡的安裝結(jié)構(gòu)也非常特別。普通望遠(yuǎn)鏡是主、副鏡（包括改正鏡）都安裝在同一個(gè)支架上，安裝在同一個(gè)圓頂室里，觀測時(shí)驅(qū)動機(jī)架轉(zhuǎn)動即可。而郭守敬望遠(yuǎn)鏡的主、副鏡（改正鏡）是分體的，主鏡與副鏡之間沒有剛性機(jī)架連接，觀測時(shí)各自會受計(jì)算機(jī)控制，達(dá)到光路的準(zhǔn)直。這是因?yàn)楣鼐赐h(yuǎn)鏡的大口徑與大視場特點(diǎn)使得主、副鏡相距40米，這樣長的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動起來很困難，所以把它設(shè)計(jì)成固定在地面的望遠(yuǎn)鏡，其改正鏡同時(shí)起到定天鏡的作用，把不同位置的天體反射到主鏡中。如果做成普通望遠(yuǎn)鏡那樣的一體結(jié)構(gòu)，鏡筒必須很長，控制也十分困難?？茖W(xué)家參考了中星儀類天體測量儀器的臥式結(jié)構(gòu)，并把主鏡和副鏡（改正鏡）分別安裝在相距幾十米遠(yuǎn)的兩個(gè)建筑物中，各自用計(jì)算機(jī)控制達(dá)到光學(xué)準(zhǔn)直、同步聯(lián)動，從而使得該望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)理念得到實(shí)現(xiàn)。

自2011年開放使用以來，郭守敬望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀測到多種類型天體的數(shù)千萬條光譜，是國際上同類望遠(yuǎn)鏡觀測到的光譜總和的5倍還多。2016年起，中國科學(xué)家還建立了開放的光譜數(shù)據(jù)庫，供全世界科學(xué)家研究使用。同學(xué)們?nèi)绻信d趣，也可以進(jìn)入數(shù)據(jù)庫了解一下哦（參考網(wǎng)站http：//dr6.lamost.org/）。