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LAMOST望远镜

大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)是一架视场为5度横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。由于它的大视场,在焦面上可以放置四千根光纤,将遥远天体的光分别传输到多台光谱仪中,同时获得它们的光谱,成为世界上光谱获取率最高的望远镜。它将安放在国家天文台兴隆观测站。项目投资2.35亿元。它使我国天文学在大规模光学光谱观测、大视场天文学研究上,居于国际领先的地位。

大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)是一架横卧南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。应用主动光学技术控制反射改正板,使它成为大口径兼大视场光学望远镜的世界之最。由于它口径达4米,在曝光1.5小时内可以观测到暗达20.5等的天体。而由于它视场达5°,在焦面上可放置四千根光纤,将遥远天体的光分别传输到多台光谱仪中,同时获得它们的光谱,成为世界上光谱获取率最高的望远镜。它将安放在国家天文台兴隆观测站(右图为效果图),成为我国在大规模光学光谱观测中,在大视场天文学研究上,居于国际领先地位的大科学装置
  多年来,我国天文界建设了以2.16米、1.56米光学望远镜、1.26米红外望远镜、太阳磁场和多通道望远镜、13.7米毫米波、米波综合孔径、以及甚长基线干涉射电望远镜为代表的天文学实测基础设施,有力地促进了我国天文研究的开展,提高了我国天文学在国际上的地位。LAMOST瞄准了涉及天文和天体物理学中诸多前沿问题的大视场天文学,抓住大规模光学光谱开拓的可贵机遇,以新颖的构思、巧妙的设计实现了光学望远镜大口径兼备大视场的突破。LAMOST望远镜由北端的反射施密特改正板MA、南端的球面主镜MB和中间的焦面构成。球面主镜及焦面固定在地基上,反射施密特改正板作为定天镜跟踪天体的运动,望远镜在天体经过中天前后时进行观测。天体的光经MA反射到MB,再经MB反射后成像在焦面上。焦面上放置的光纤,将天体的光分别传输到光谱仪的狭缝上,然后通过光谱仪后的CCD探测器同时获得大量天体的光谱(下图为光路示意图)。

光学光谱包含着遥远天体丰富的物理信息,大量天体光学光谱的获取是涉及天文和天体物理学诸多前沿问题的大视场、大样本天文学研究的关键。但是,迄今由成像巡天记录下来的数以百亿计的各类天体中,只有很小的一部分(约万分之一)进行过光谱观测。LAMOST作为天体光谱获取率最高的望远镜,将突破天文研究中光谱观测的这一“瓶颈”,成为最具威力的光谱巡天望远镜,是进行大视场、大样本天文学研究的有力工具。LAMOST对上千万个星系、类星体等河外天体的光谱巡天,将在河外天体物理和宇宙学的研究上,诸如星系、类星体和宇宙大尺度结构等的研究上作出重大贡献。对大量恒星等河内天体的光谱巡天将在河内天体物理和银河系的研究上,诸如恒星、星族和银河系的结构、运动学及化学等的研究上作出重大贡献。结合红外、射电X射线γ射线巡天的大量天体的光谱观测将在各类天体多波段交叉证认上作出重大贡献。

LAMOST工程分为七个子系统:光学系统;主动光学和支撑系统;机架和跟踪装置;望远镜控制系统;焦面仪器;圆顶;数据处理和计算机集成。望远镜安放在中国科学院北京天文台兴隆观测站,项目总投资约2.35亿元,建成后将作为国家设备向全国天文界开放,并积极开展国际合作。

LAMOST于2009年6月4日通过国家验收,成为世界上口径最大的大视场和光谱观测获取率最高的望远镜,为我国乃至世界天文学研究提供高水平的观测手段和研究平台,得到了国际天文界的高度评价。 [1]

在技术上,LAMOST在其反射施密特改正镜上同时采用了薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学技术,以其新颖的构思和巧妙的设计实现了在世界上光学望远镜视场同时兼备大口径的突破。并行可控式光纤定位技术解决了同时精确定位 4000个观测目标的难题,也是一项国际领先的技术创新。 作用

LAMOST在口径、视场和光纤数目三者结合上超过了国际上已经完成或正在进行中的大视场多天体光谱巡天计划,其科学目标集中在河外星系的观测 , 银河系结构和演化,以及多波段目标证认三个方面。它对近千万个星系、类星体等河外天体的光谱观测,将在宇宙学模型宇宙大尺度结构、星系形成和演化等研究上做出重大贡献。对大量恒星的光谱巡天将在银河系结构与演化及恒星物理的研究上做出重大贡献。结合红外、射电X射线伽马射线巡天的大量天体的光谱观测将在各类天体多波段交叉证认上做出重大贡献。

LAMOST 望远镜安放在国家天文台兴隆观测站,作为国家设备,向全国天文界开放,并积极开展国际合作。LAMOST 将使中国天文学在大规模光学光谱观测中, 在大视场天文学研究上,居于国际领先的地位。

LAMOST望远镜最突出的特点是大口径(4米)兼大视场(5度),以及4000根光纤组成地超大规模光谱观测系统。与国际上同类型的巡天项目,比如美国斯隆数字巡天计划(SDSS)和澳大利亚英澳天文台2dF巡天相比,LAMOST无论在望远镜口径上还是观测效率上都有极大的飞跃。

LAMOST望远镜由八个子系统组成,分别是光学系统、主动光学和支撑系统、机架和跟踪系统、望远镜控制系统、焦面仪器、圆顶、观测控制和数据处理系统、输入星表和巡天战略。

光学系统由在南端的球面主镜MB、在北端的反射施密特改正镜MA构成,焦面在中间。光轴南高北低,以适应台址纬度,扩大观测天区。球面主镜MB大小为6.5米×6米,由37块1.1米对角径的六角形球面镜拼接而成。反射施密特改正镜MA大小为5.7米×4.4米,由24块对角径1.1米的六角形主动非球面镜拼接而成。球面主镜MB是固定的,对天体的指向跟踪运动完全由MA担任。作为定天镜的MA采用地平式机架,其指向和跟踪由方位和高度两个方向旋转实现。望远镜在天体经过中天前后进行观测。

主动光学技术是LAMOST项目最有挑战性和最核心的关键技术。为了改正球面主镜MB的球差,观测时需要实时变化改正镜MA的非球面面形,主动光学系统通过结合薄镜面和拼接镜面主动光学技术使24块薄平面子镜按要求变形,并使各子镜共焦。上千个力促动器实时控制MA的各个子镜,以便达到要求的形状。MB的37块子镜直接通过主动位移促动器调节机构联接于主体桁架之上,利用拼接镜面主动光学技术实现共焦。

LAMOST系统在世界上首次应用了在同一块大镜面上同时应用薄镜面主动光学技术和拼接镜面主动光学技术,还首次在一个光学系统中同时采用了两块大的拼接镜面。球面主镜的拼接是项目关键技术的重要组成部分,也是使项目造价大为降低的关键之一。

望远镜收集来自天体的微弱辐射,成像在焦面上,然后通过焦面仪器进行分光、探测和记录。焦面仪器是LAMOST直接获取天体光谱信息的部分,包括光纤定位装置、光纤、光谱仪CCD探测器等几个主要部分。

“并行可控式光纤定位技术”是LAMOST又一项自主创新和关键技术。与SDSS采用的钻孔铝板和2dF采用的磁扣方式不同,LAMOST光纤定位采用了双回转光纤定位单元方案。LAMOST焦面直径1.75米,与我们吃饭用的圆桌大小相仿,如图4所示。定位系统可在数分钟的时间里将焦面上的4000根光纤按星表位置精确定位,并提供光纤位置的微调。4000个光纤定位单元在焦面上以25.6毫米等距离排列,每个单元驱动光纤在直径33毫米的范围内工作。LAMOST定位系统的优势是通过4000个定位单元并行工作,大大缩短了定位时间。也避免了SDSS那样每次观测都需要更换光纤铝板的麻烦。在一个餐桌大小的焦面板上8000个电机带动4000个光纤定位单元转动,想一想也是件震撼人心的场景。

由于LAMOST的独创型结构,其望远镜建筑也不同于一般的天文望远镜圆顶。它由MA楼、MB楼和焦面仪器楼三部分组成,如题图所示。MA的圆顶围挡为一带球冠的圆柱形,上部可向东西移开。焦面到MB围挡为一卧式长通道,开有百叶窗,以减少风对MA的影响,并使光路中温度均匀,避免恶化天然的大气视宁度。

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。

1995年1-2月,国家科委组织对各学科科学工程的建议项目进行评议,LAMOST位居前列。

1996年6月,国家计委、国家科委组织两院院士对国家重大科学工程进行评审,LAMOST位居前列。

1996年7月,国家科技领导小组启动国家重大科学工程计划。

1997年4月,国家计委批复LAMOST项目建议书。

1997年8月29日,国家计委批复LAMOST项目可行性研究报告,标志着LAMOST正式立项。

1999年2月12日,LAMOST项目初步设计报告编制完成。

1999年6月9日,国家计委委托中科院批复了LAMOST项目初步设计与概算。

2000年2月20日,数据处理和研究中心工程开工。

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。

2002年12月3日和4日晚,1比1室外主动光学试验闭环校正光学系统的像差精度研究获得初步成功,在对角径为1.1米、厚为25毫米的正六角形试验子镜上的偏轴非球面的精度达到均方根值42纳米。这是针对LAMOST最重要的关键技术而进行的研究。

2003年1月22日,在南京天光所TCS总控开发实验室内进行了LAMOST的“OCS和TCS”0-级联调系统方案研讨,最终确认了TCS研制组的“关于实现0-级OCS和TCS系统联调的技术草案”方案,并通过实测实现了LAMOST南京合肥两地系统联调的第一个成功的演示。

2003年7月,LAMOST海量光谱的自动识别与分析系统,经中科院国家天文台天文学家和自动化所技术专家的联合攻关,已完成技术理论研究工作,LAMOST最重要的实用系统的框架设计方案由此确定。LAMOST建成后将一次观测4000个天体,支撑起一个庞大的天文观测数据库,供天文学家在此基础上开展前沿研究。自动化领域的专家协助天文学家寻找有效的对天体光谱进行自动识别分类和参数测量的算法,开发出可供LAMOST使用的光谱自动识别分类的软件包,已成功建立了各种类型的光谱库

2003年10月13日,中国科学技术大学近代物理系OCS研究组承担的LAMOST-1级观测控制系统(OCS-1.20)和1级巡天战略系统(SSS-1.00)通过验收。来自LAMOST工程指挥部、国家天文台、南京天文光学技术研究所和中国科学技术大学的16名专家和教授组成验收专家组。

2003年10月14日,由中国科学技术大学承担的LAMOST“光纤定位多单元中间试验系统”通过了专家验收,试验系统达到了合同要求,试验的成功表明LAMOST光纤定位系统研制取得突破性进展。光纤定位系统是LAMOST两个关键技术之一,它要求把4000根光纤在较短的时间内精确对准各自的观测目标。国外采用较为成熟的光纤定位技术,包括固定的定位孔、磁扣式等,由于LAMOST焦面的直径较大(达1.75米),光纤数目较多达4000根(国外目前达到实用的最多只有640根),现有方案很难直接运用。中国科学技术大学邢晓正教授提出的“并行可控式光纤定位”方案最终被采用。该方案定位速度快、精度高,可以实时补偿温度和大气的较差折射等引起的误差,光纤与焦面法线偏角小,直接对准星象,光能损失小,观测上无盲区,四千个可控式单元由相同的构件组成,加工成本低,可靠性高,运行费用低。此次中国科学技术大学研制的19个单元样机经1年半的成功运行后顺利通过验收,表明这项关键技术已取得了突破性进展。

2004年1月7日,LAMOST的球面主镜部分的子镜室样机实验顺利完成。LAMOST的主镜是采用拼接镜面主动光学技术的大型薄镜面,单块六角形子镜的对角径为1.1米,厚度只有75毫米。自2001年开始方案设计以来,南京天光所经历了结构优化分析、细节设计、数次原理和工艺审核、外协加工、部分零件修改、铝制代子镜测试和玻璃子镜测试数个阶段,最终获得初步结论。球面主镜在国内率先采用了一种倒挂式的摇杆机构(WHIFFLETREE)和中孔薄膜机构分别解决了子镜的轴向和侧向支撑问题,所有的机构都隐藏在子镜背后,结构紧凑,避免了拼接镜面中支撑系统可能的干涉问题。

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。出席观测楼奠基仪式的有中科院副院长白春礼、科技部基础司、河北省科技厅、承德市、兴隆县、国家天文台和施工单位的有关领导、LAMOST项目管理委员会和科技委部分成员、以及项目工程指挥部主要成员。

2004年9月,4000根光纤焦面定位系统的设计方案通过评审,并开始加工制造。

2004年11月25日,中国科学技术大学近代物理系承担的LAMOST观测控制系统(OCS-2.10)和巡天战略系统(SSS-1.10)通过了验收。评审专家组由工程指挥部、中国科技大学、国家天文台、南京天文光学技术所18名专家学者组成。

2004年12月30日,南京天文光学技术所承担的LAMOST关键技术预研究项目“大口径主动光学实验望远镜装置”(左图)在南京通过验收和成果鉴定。专家认为:该装置是国际上第一架采用主动光学技术的反射施密特望远镜,经现场测试获得了高精度测试结果。该装置用六角形薄镜面为主动光学中的可变形镜,发展了相关的主动校正力的定标计算方法,采用主动光学开环控制技术成功地在薄镜面上产生偏轴非球面,补偿了光学系统的像差,解决了大口径、大视场反射施密特望远镜的关键技术之一,属国际首创。该装置的实验成功显示了我国已掌握大口径薄镜面主动光学的关键技术,开创了天文光学中大口径、大视场观测的新局面,具有重大的天文和国防等应用前景。

2005年1月14日,LAMOST项目委托俄罗斯Lytkarino光学玻璃厂(JSC LZOS)加工的第一批共4块MB子镜安全运抵南京天文光学技术所(2004年11月在俄通过验收)。LAMOST的球面主镜(简称MB)尺寸为6.67米 × 6.05米,曲率半径40米,由37块对角线长1.1米、厚度为75毫米的六角形球面子镜组成,加工难度高。本次验收的4块子镜的技术指标完全满足了LAMOST项目的要求。2005年1月18日,LAMOST工程指挥部和中国科技大学在合肥签订了“LAMOST焦面光纤定位装置研制合同”。

2005年4月15日,LAMOST低分辨率光谱仪样机通过了专家评估。LAMOST需配置16台中低分辨率多目标光纤光谱仪和一台高分辨率阶梯光栅光谱仪,低分辨率光谱仪样机已完成。专家组听取了样机研制报告、测试报告,并对现场进行了考察。专家组认为,光谱仪的主要指标如光谱分辨率等,检测用的CCD所能覆盖的光谱范围内已达到设计指标要求并与光学计算结果符合。限于实验条件,有些性能指标尚无法检测,下一步将完善检测设备,以保证正样光谱仪有完备的检测结果。

2005年4月20日,南京天文光学技术研究所承担的院设备更新专项资金支持项目3.6米环抛机在南京通过了专家组的现场验收。3.6米环抛机为LAMOST施密特改正镜研制需要而配置,已完成试运行。专家组经过严密的验收程序后,一致认为:3.6米环抛机各项定量定性指标均已达到,运行正常,可以满足LAMOST项目Ma子镜光学的预定目标的要求,同意验收。2005年5月18日,LAMOST地平式机架在南京完成机电初联调,经过对跟踪精度和指向重复定位精度的初步检测,各项指标均达到设计要求。这意味着LAMOST地平式机架已达到分拆启运前的要求,是LAMOST研制过程中的又一个里程碑,2005年5月30日-6月2日,“LAMOST项目国际中期评估”在南京和北京举行。来自英国、美国、澳大利亚、法国、德国的9位国际知名天文仪器专家和天文学家担任评委。专家们实地考察了LAMOST的8米MA地平式机架、MB桁架的装调现场、主动光学室外实验望远镜装置、主动光学实验室、力促动器实验室、多目标光纤光谱仪样机、MA/MB子镜样机、摩擦驱动试验、MB子镜及正在该所磨制的MA子镜,并针对会议提交的四个报告和工程建设期间存在的问题和难题进行了讨论。

2005年6月3-4日,在北京召开的“南极DOME C/A大视场巡天望远镜研讨会”上。国外天文学家提议在南极建造一台更大口径的LAMOST望远镜。与国家天文台的LAMOST遥相呼应,对整个天空进行完整的深度光谱观测。

2005年6月16日,LAMOST委托南京天文光学技术所研制的MA子镜第一批(共4块)在南京顺利通过验收。LAMOST项目的反射式施密特改正板(简称MA镜)长5.7米,宽4.4米,由24块MA子镜拼接而成。子镜的外形为正六边形,对角线尺寸为1.1米,厚度为25毫米,其特点是口径大,厚度小,面形精度要求高。验收组听取了研制报告和测试报告并进行了现场抽检,验收组认为:4块子镜均已达到合同的技术要求,其工艺流程合理,在大口径高精度薄平面光学镜面的研制方面已达到国内领先水平。

2005年9月,LAMOST与美国SDSS签订了LAMOST参加“SLOAN数字巡天-II”工作的备忘录。2005年9月20日,LAMOST首件大型设备MA机架从南京天文光学技术研究所启运,运往国家天文台兴隆观测站,标志着LAMOST的研制取得了阶段性的成果,这是LAMOST工程建设具有里程碑意义的重大事件。

2005年11月18日,中国科学技术大学近代物理系承担的LAMOST子课题观测控制系统(OCS-2.20)和观测战略系统SSS-2.00通过了验收。专家评审组由LAMOST工程指挥部、中国科学技术大学、国家天文台、南京天文光学技术研究所的21名专家组成。

2005年12月24日,组成LAMOST本体的反射施密特改正镜(MA)机架、球面主镜(MB)桁架和焦面机构三大部套的安装在兴隆观测站顺利完成,各项指标均达到设计要求,标志着LAMOST项目全面进入现场安装调试阶段。

2006年4月12日,三块对角径1.1米六角形球面MB子镜在南京天文光学技术研究所拼接成功,是LAMOST工程的又一重大进展。在世界上首次应用了在同一块大镜面上同时应用薄镜面(可变形镜面)主动光学技术和拼接镜面主动光学技术,还首次在一个光学系统中同时采用了两块大的拼接镜面。球面主镜的拼接是这个关键技术的重要组成部分,也是使项目造价大为降低的关键之一。进而言之,拼接镜面主动光学技术也是未来巨型地面光学红外望远镜的主要技术之一,掌握此技术意义重大。

2006年11月,委托俄罗斯研制的40块MB子镜(其中包括3块备用子镜)全部通过验收。2006年12月27日,南京天文光学技术所承担并自行研制的LAMOST 30块MA子镜(其中包括6块备用子镜)顺利通过验收(右图)。验收专家组听取了研制报告和验收测试报告,审阅了相关技术资料并进行了现场考察。专家组认为:30块MA子镜面的技术指标均满足合同要求,同意通过验收,这是LAMOST建设过程中又一个重要里程碑。该项工作在大口径高精度非圆形超薄平面研制方面处国内领先,并达到国际先进水平,对我国研制未来巨型望远镜和其他大型光学工程有重要意义。

2007年2月4日,LAMOST首批三块1.1米六角形主镜子镜在国家天文台兴隆观测站顺利安装成功。LAMOST主镜的安装难度很大,经过反复的实战模拟准备,终于安全、顺利地完成首批三块子镜的安装,标志着LAMOST项目顺利进入了光学装调阶段。

2007年2月27日,LAMOST“焦面光纤定位系统(小系统)验收会”在合肥中国科学技术大学举行。来自国家天文台、上海天文台、南京天文光学技术研究所、中国科学技术大学等单位的验收专家和有关领导出席了验收会。焦面光纤定位小系统包括直径600mm的小焦面板、250个光纤定位单元、250单元的驱动控制电路、定位控制软件和定位精度检测系统。与会专家听取了研制报告,检测组检查了项目组提供的详细测试数据,验收组经现场考察和检查。验收组认为,小焦面板、光纤单元、控制系统软硬件和光纤位置检测系统达到了技术要求,该小系统可以通过实验室验收并在兴隆观测站现场安装。

2007年2月28日,LAMOST的地平式机架及焦面机构的机电联调顺利完成,实测技术指标均优于设计指标。地平式机架是LAMOST最大最复杂的精密机械系统,也是我国目前尺寸最大、精度要求最高的光学望远镜跟踪机架。焦面机构用于支撑直径1.8米、安装有4000根光纤及其定位机构的焦面板,并起着在观测过程中消除像场旋转、精确定位焦面板及精确跟踪星像的重要作用。由于其需要场旋转、姿态调整、调焦、侧移的空间五维精确运动,技术难度很大。机电联调的完成是LAMOST又一个阶段性成果,为光机电联调和小系统按时出光奠定了扎实的基础。

2007年5月28日凌晨3点,正在调试中的LAMOST喜获首条天体光谱。随着调试的进展,随后的两天LAMOST已不断地获得越来越多的天体光谱,标志着其各个子系统(望远镜光学和主动光学、跟踪控制、光纤、光谱仪)已全部联通并达到要求的技术指标。LAMOST正处在“小系统”联调阶段,“小系统”调通后,将在此基础上扩展镜面子镜数至24/37块,光纤数至4000根和光谱仪数量至16台。

2007年6月29日,“LAMOST小系统验收会”在北京召开。LAMOST“小系统”包括3米口径的镜面,250根光纤和一台光谱仪,以及LAMOST完整的机架、跟踪和控制系统。中科院基础局组织了国内天文、天文仪器、光学、精密机械、电子及管理科学等领域的著名专家学者20余人对LAMOST的“小系统”进行了全面的综合评估。测试专家组于6月18日和6月28日到兴隆观测基地进行了现场测试和考察。验收专家组听取了研制报告、测试专家组的测试报告,审阅了相关技术资料。专家组认为:“LAMOST小系统的光学质量完全达到了指标要求,多目标光纤光谱系统基本达到预定目标,望远镜、光纤、光谱仪CCD相机所组成的观测系统,集成情况良好。LAMOST小系统的研制成功证明项目总体方案是正确的,技术和工艺是可行的。同意通过验收。”LAMOST小系统的成功是该项工程建设中的一个重要里程碑,标志着项目建设的所有关键技术难点已被攻克,尤其是国际领先的薄镜面及拼接镜面的主动光学技术和并行可控式光纤两项新技术的成功,为项目建设的全面成功铺平了道路。

2007年8月,南京天光所订购的1.6米箱式真空镀膜机经设备调试和工艺实验获取了可靠的工艺参数,并为LAMOST项目MA、MB子镜添置了专用工装,顺利完成LAMOST三块MA子镜和一块MB子镜的镀膜,经检测,这四块子镜膜层质量优良,膜层的机械强度及反射率指标均达到了设计要求。

2007年12月中旬,中科院上海天文台天体测量团组承担的“LAMOST天体测量支持系统”完成了在LAMOST小系统上的调试,97-以上的有效光纤得到了目标的星光光谱,为下一步科学目标的试验观测打下基础。天体测量支持系统负责为LAMOST望远镜的各运动部分提供实时的指向参数和运动参数,包括施密特改正镜法线的瞬时指向参数、焦面的瞬时位置、姿态和旋转角参数、每个光纤单元的定位参数。由于LAMOST视场大(20平方度)、焦距长(20米)、接收单元离散分布、工作原理特殊,对天体测量支持系统提出很高的精度要求(焦面上允许定位误差50微米)。

2007年底,LAMOST光纤定位系统的可重复的光谱出光率平均达到97-,并安装调试完成约三分之二的光学镜面(24块主镜和16块施密特改正镜的子镜)和8台多目标光纤光谱仪,使项目在2008年全面竣工有了保证,也为科学上的试观测打下了很好的基础。

2008年1月,为了推动LAMOST有关科学研究的开展,组织国内外天文学家对LAMOST观测项目的申请和评估工作,优选观测计划等,国家天文台成立了“LAMOST巡天观测计划遴选和设计委员会”。该委员会发布了“LAMOST数据政策(征求意见稿)”,以推动国内外天文学家利用LAMOST观测数据进行科学研究的积极性。征求意见稿已向国内天文界公开发布,并在LAMOST网站上公布。委员会还向国内各天文台及其他高校有关的天文学家发出征求LAMOST科学观测计划和科研题目的第一号通知,征求课题的截止期为2008年4月底,5月份将对第一批提出的观测计划进行评审。在评审基础上优选课题,组织相应的工作小组,以推动LAMOST科学研究的全面准备工作。

2008年3月,LAMOST拆除了小系统用的小焦面板,对LAMOST焦面板进行了安装和调试。为了保证产品的质量,工程指挥部先后组织人员对中国科技大学研制的焦面板机械加工进行了出厂前和现场安装后的测试和验收,结果表明焦面板的机械加工以及安装和调试均符合设计要求。

2008年4月4日,美国《科学》杂志(Page 34-35,VOL 320)报道了LAMOST项目的最新进展。文章题为“中国的LAMOST在准备最后的测试”,对LAMOST的技术创新点、建设过程和近况、以及三大科学目标进行了详细介绍。链接:原文

2008年4月10日,LAMOST顺利完成2/3镜面装调目标。16块MA子镜(共24块)和24块MB子镜(共37块)及其支撑系统的现场装调已经完成。24块MB子镜共球心测试结果为80-光能量集中在0.4角秒直径的圆内,达到设计技术要求;通过自准直校正测试望远镜光学系统的成像质量已达到80-光能量集中在1.2角秒直径的圆内(设计指标为80-光能量集中在2.0角秒直径的圆内);测试结果充分表明:望远镜光学系统的成像质量已优于设计指标。配备的16台光谱仪已有8台完成了光、机、电联调。至此,光谱仪的研制任务完成过半,实现了预定目标。望远镜导星跟踪的综合精度可达0.42角秒,光纤定位系统的可重复的光谱出光率平均达到97-,保证了整个系统稳定全面地出光,为下一步科学目标的试验观测打下了坚实基础。

2008年5月13日,“天体测量支持系统在LAMOST小系统中的应用”验收会在上海天文台召开,验收组由南京光学天文仪器研究所、国家天文台、中国科技大学的专家组成,南京光学天文仪器研究所所长崔向群研究员担任验收组组长。在听取了上海天文台天体测量研究团组科研人员的总结报告后,与会专家对天体测量支持系统在LAMOST工程小系统调试中的工作进行了评估。该支持系统负责为LAMOST望远镜的各运动部分提供实时的指向参数和运动参数及其导星修正量,主要包括施密特改正镜法线的瞬时指向参数、焦面的瞬时位置、姿态和旋转角参数、每个光纤单元的定位参数。在LAMOST小系统的调试过程中,天体测量支持系统与光学、机械、电控、光纤定位、光谱仪等各子系统密切配合,在天气情况和仪器状态良好的情况下,望远镜持续1小时导星和跟踪的综合波动均方差达到0”.42,光谱有效出光率达到97-以上,并可重复,为下一步LAMOST大系统的调试打下了坚实基础。验收组认为支持系统的设计方案行之有效,其中的硬件部分和软件部分的性能都达到了所要求的指标,能够正常支持观测过程的实现,并在小系统整体调试中发挥了重要的作用,同意通过验收。

2008年6月21日,LAMOST在兴隆观测站完成了24块反射施密特改正镜(MA)、37块球面主镜(MB)的安装。这是LAMOST项目研制过程中的一个重要里程碑,标志着LAMOST项目全面进入最后的现场装调阶段。

2008年9月27日夜,LAMOST望远镜在调试中一次观测得到1000余条天体的光谱。截止到发稿,在每次调试观测中,LAMOST都不断地获得1000多至2000多天体的光谱。用于调试观测的天体一般是亮于17等,光谱是在无云观测夜曝光5分钟后获得的。与国际上迄今最多一次观测只能得到600多条天体的光谱相比,LAMOST已经成为世界上光谱观测获取率最高的望远镜。

2008年10月16日,LAMOST落成典礼在国家天文台兴隆观测基地举行。LAMOST于2008年8月底完成了全部硬件安装,并开始进行试观测。望远镜的各项指标均已经达到甚至超过设计要求,在调试过程中单次观测可同时获得3000多条天体光谱的能力。LAMOST已成为我国最大的光学望远镜、世界上最大口径的大视场望远镜,也是世界上光谱获取率最高的望远镜。它的研制成功使我国的大规模光谱观测处于世界领先地位。

2008年12月15日-18日,中科院基础科学局和计划财务局组织专家对LAMOST进行了现场测试(项目的设备部分望远镜和仪器)。12月19日鉴定验收专家组进行了工艺鉴定验收。专家组认为:LAMOST突破了光学望远镜大口径与大视场不可兼得的困难,在主镜改正镜上同时实现主动光学技术,把几十个薄镜面,实时调整,完美拼合为一体;并在视场上安装4000根光纤,能同时测定4000个目标的光谱。LAMOST是国际上口径最大、视场最宽、光谱获取率最高的大型施密特望远镜,为国际同行赞许。在研制过程中,有多项技术创新,为今后大望远镜研制奠定坚实基础。

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。验收委员会由国家发展改革委、科技部、国家档案局、基金委、河北省、中科院等有关部门和相关领域的专家组成。国家发展改革委副主任张晓强,中国科学院常务副院长、LAMOST工程建设领导小组组长白春礼任主任委员出席了验收仪式。

为了推动国家重大科学工程LAMOST 竣工后的工程调试与科学试观测工作的顺利开展,2010 年5 月31 日,中国科学院国家天文台正式成立LAMOST 运行和发展中心(现已更名为“郭守敬望远镜运行和发展中心”,以下简称“中心”),下设办公室、观测运行部、技术维护与发展部以及巡天与数据部。聘任赵刚为中心主任、赵永恒为中心常务副主任,崔向群为中心总工程师,褚耀泉李国平为中心副主任。

2010年12月15日,郭守敬望远镜(LAMOST)运行和发展中心对郭守敬望远镜(LAMOST)镀膜机进行了兴隆现场安装调试验收。LAMOST镀膜机包括一台1.6米箱式镀膜机和一台1.4米专用镀膜机,由北仪创新真空技术有限公司承制。两台设备分别于2008年10月和2009年3月进行了生产现场验收。截至2010年12月31日,技术维护与发展部光学维护小组已经完成了5块MA 子镜的镀膜。经检测,镀膜后的镜面反射率达到92-,较镀膜前提高了约10-。

2010年12月17日至18日,郭守敬望远镜(LAMOST)软件国际评估会在国家天文台召开。评估会的成功召开,是郭守敬望远镜(LAMOST)展开正式巡天前的重要环节,为巡天所需的星表准备、观测控制和数据处理等工作提供了软件方面的保证。

为了更好地为LAMOST提供观测所需的天文与气象环境信息,2011年5月底,LAMOST环境监测室仪器安装调试到位,正式投入使用。

2011年5月,LAMOST光纤定位改进工作取得重要进展,90-的光纤定位精度在1角秒之内,LAMOST整体的光学效率在蓝端为5-左右、红端在10-左右,基本达到光谱巡天观测的要求。 [2]

LAMOST是我国自主创新的,在技术上非常有挑战性的大型光学望远镜。全面完成后将是我国最大的光学望远镜主镜为6米)和国际上最大口径的大视场光学望远镜。LAMOST拥有多项国际前沿水平的技术创新,例如:

1)拼接镜面主动光学技术及在一个光学系统中同时采用两块大拼接镜面(37块1.1米六角形子镜拼接成6.67米×6.58米的主镜,以及24块1.1米六角形子镜拼接成的5.72米×4.4米反射施密特改正镜);

2)在观测中实时在一块大镜面上同时实现应用拼接和可变形镜面主动光学技术;

3)六角形可变形镜面主动控制和波前检测技术;

4)4000根光纤单元在焦面上的精确定位;

5)多目标光纤光谱技术;

6)海量数据处理技术;

7)大视场与大口径兼备。 [3]

2007年5月28日凌晨,当时正处于调试中的LAMOST喜获首条天体光谱,随着调试的进行,随后数天LAMOST获得了越来越多的天体光谱。2007年6月18日晨,单次观测获得了超过120颗的天体光谱。2008年9月27日夜,LAMOST在一次观测得到的光谱超过了1000颗,打破了由SDSS项目保持的640颗的“世界纪录”,LAMOST正式成为国际上天体光谱获取率最高的天文望远镜。最多一次可以拍下4000颗天体光谱。她的建成使我国在大规模天文光谱观测研究工作跃居国际领先地位,为我国在天文学和天体物理学许多研究领域中取得重大科研成果奠定了基础。为了充分发挥LAMOST的威力,获得最大的科学回报,天文学家们结合望远镜的功能和特点为它制定了一系列的观测计划,设计了三大核心研究课题。

首先是研究宇宙和星系,一个是星系红移巡天,另一是通过获取的数据进一步研究星系的物理特性。星系物理是国际天文界相当热门的话题,宇宙的诞生、星系的形成以及恒星和银河系结构等前沿问题都建立在对星系物理的研究基础之上。研究宇宙大尺度结构依赖于星系红移巡天的工作。获取星系的光谱就能得到星系的红移,有了红移就有可以知道它的距离,有了距离就有了三维分布,这样就可以了解整个宇宙空间的结构。同时可以研究包括星系的形成、演化在内的宇宙大尺度结构和星系物理。这是一个环环相扣的工程,而获取星系的光谱则是最基础的一环。LAMOST的目标是观测1000万个星系、100万个类星体、外加1000万颗恒星的光谱。LAMOST建成后,由于要比SDSS计划所观测的星系和类星体的数目多十倍,由此可以预计,LAMOST将会以更高精度的方式来确定宇宙的组成和结构,从而使人类对暗能量暗物质有更加深刻的认识。

第二个核心课题就是研究恒星和银河系的结构特征。主要瞄准更暗的恒星,观测数目更多一些,这样可以更多了解银河系更远处的恒星的分布和运动情况,弄清银河系结构。因为LAMOST能够做大量恒星的样本,所以可以尽量选更多、更暗的星来做大范围的研究。恒星是众多星系的重要组成部分。通过一颗恒星的光谱,天文学家可以分析出其密度、温度等物理条件,可以分析出其元素构成和含量等化学组成,还可以测量出其运动速度和运行轨迹等。研究了不同种类的恒星的分布,可以研究出银河系的结构和银河系的形成。

LAMOST的第三个核心课题是“多波段证认”,天文学界的惯例是在其他波段比如射电、红外、X射线γ射线发现的天体要拿到光谱中分析。因为光谱理论充分,经验也多,这也造就了其它手段搜集到的有关天体的资料最终还是要通过光谱来确认。作为光谱获取率最高的天文望远镜,LAMOST对光学天文学的意义是不言而喻的。而多波段证认本身也是LAMOST的三大课题之一,通过与其它波段巡天望远镜,如X射线和望远镜相结合,它在许多天文学前沿问题的解决上都能起到相当大的作用。

1993年4月,以王绶苏定强为首的研究集体提出LAMOST项目,建议作为中国天文重大观测设备。

1994年12月-1995年6月,在中国天文学会中科院数理学部、中国科学院、国家科委、国家计委先后组织的多次评议和评审中LAMOST项目一直位居前列。

1996年7月,国家科技领导小组决策启动国家重大科学工程计划,LAMOST列入首批启动项目。

1996年10月,中国科学院成立国家重大科学工程“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”项目工程指挥部、项目科学技术委员会、项目管理委员会。

1997年4月,国家计划委员会批复《LAMOST项目建议书》。

1997年8月,国家计划委员会批复《LAMOST项目可行性研究报告》。

1999年6月,中国科学院受国家发展计划委员会委托批复《LAMOST项目初步设计与概算》。

2001年8月,国家发展计划委员会批准LAMOST项目开工报告,项目正式进入施工阶段。

2004年6月,LAMOST观测楼在国家天文台兴隆观测站开工建设。

2004年12月,关键技术预研究项目“大口径主动光学实验望远镜装置”通过验收和鉴定。

2005年6月,中国科学院组织国际著名专家对LAMOST项目进行了中期评估。

2005年9月,LAMOST项目首件大型设备(8米机架底座)在兴隆观测站成功吊装,开始了项目主体设备安装。

2005年12月,在国家天文台兴隆观测站安全顺利地完成了反射施密特改正镜(MA)机架、焦面机构和球面主镜(MB)桁架三大部套的安装,项目全面进入现场安装调试。

2007年6月,LAMOST完成3米口径的镜面、250根光纤的定位系统、1台光谱仪及2台CCD相机(被称为“小系统”)以及完整的望远镜地平式机架、焦面机架、跟踪和控制系统的装调,达到望远镜设计的光学指标,并获得天体光谱。

2008年8月,望远镜全部硬件(24块Ma子镜、37块Mb子镜、4000个光纤定位单元、4000根光纤、16台光谱仪、32台CCD相机)安装到位。

2008年10月,LAMOST落成典礼在国家天文台兴隆观测基地举行。

2009年6月4日,LAMOST顺利通过国家验收。

2010年4月17日,LAMOST被冠名为“郭守敬望远镜”。

LAMOST是一架我国自主创新设计、在技术上非常有挑战性的大型光学望远镜,在多项技术上走在国际前沿,是有望获得世界瞩目科学成就的国家重大科学工程。也是我国口径最大的红外望远镜。

LAMOST还开创了一种新的望远镜类型,LAMOST型施密特望远镜,打破了大视场望远镜不能兼有大口径的瓶颈,被国际上誉为“建造地面高效率的大口径望远镜最好的方案”。

LAMOST项目引起了国内外天文学家的广泛关注,对LAMOST巨大的科学潜能寄予厚望。美国《Science》杂志两次载文介绍 。著名的天文科普杂志《Sky & Telescope》在2000年第7期上提到:

“与光谱有关的巡天望远镜是LAMOST,中国的一台不寻常的望远镜,将建在中国北部长城附近的北京天文台兴隆站。3000万美元的LAMOST有一个不动的4米主镜和5度的视场,一个可变形的镜子将星光引导到固定的主镜上。当LAMOST建成后,将是迄今为止最高产的光谱巡天工具:利用光纤、自动光纤定位装置和20台光谱仪,每次将可得到4000个天体的光谱。”

2005年春夏之交,中国科学院和LAMOST指挥部邀请了多位国际知名的天文仪器专家和天文学家对LAMOST望远镜的功能和潜在的科学意义进行评估。这其中包括美国帕洛马天文台前台长,美国Keck天文台前台长,美国叶凯士天文台前台长,SDSS项目负责人,2dF项目负责人。经过仔细的现场考察和与项目成员的深入交流,这些国际大碗认为:“LAMOST将会是一个适合于研究广泛领域中重大天体物理问题的世界级巡天设备。鉴于其集光面积和光纤数目,LAMOST潜在的功能将比SDSS数字巡天和2dF高出10到15倍。如果能达到这样高的指标,它将是一个巨大的飞越,并打开了一个广阔的‘探索空间’。LAMOST将会有非常好的科学产出,一定能够在河外天文学与银河系天文学方面产生世界级的研究成果。”

LAMOST独特的设计思想也对国际天文望远镜的设计产生了重要影响。2005年6月初,一些国外天文学家提议在南极建造一台大口径的LAMOST型望远镜。国家天文台LAMOST望远镜与南极LAMOST一南一北,遥相呼应,对整个天区进行完备的深度光谱观测。

随着LAMOST的落成,很多国际研究项目和天文学家都对其表示出了极大的兴趣和热情,希望能够共同参与LAMOST的巡天观测和科学研究。这其中就包括美国的SDSS,欧洲的GAIA,英国剑桥大学的天文学家们等等。

2008年发生在中国人身边的大事太多了,但对于中国的天文学家和关心天文学的朋友来说,LAMOST的落成无疑将会是一个令之兴奋很多年的硕果。

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