立异引领中国天文光学仪器的成长

紫金山天文台一名老天文学家回想说：上世纪5����APP0年月初，台长张钰哲师长教师斟酌我国天文学成长计划时强调“中国天文学确当务之急是培育人材和研制天文仪器”。回首我国研制天文仪器的汗青，恰是从上个世纪50年月最先的。

2012年，崔向群在北京第28届IAU年夜会揭幕式上。

1950年摆布，杨世杰颠末吃苦研究，在中国起首把握了天文镜面磨制手艺，并在1956年在紫金山天文台研制成我国第一台千里镜——13厘米施密特千里镜。1958年南京天文仪器厂成立（1991年改名为中科院南京天文仪器研制中间，2001年整合为南京天文光学手艺研究所和南京天文仪器公司），我国天文界最先组建专业天文仪器步队，从数十人成长到数百人，进入自立成长天文仪器的时期：1964年胡宁生设想研制成43厘米/60厘米我国第一台人造卫星千里镜、1968年苏定强带领研制成中国第一台Lyot滤光器（双折射滤光器）、1968年60厘米千里镜建成并安装在兴盛不雅测站，随后70年月至今我国研制的天文仪器首要有：

（1）光学天文仪器——光电等高仪、天顶筒、太阳色球光球千里镜、太阳塔、太阳光谱仪、日蚀光谱仪、太阳邃密布局千里镜、太阳磁场千里镜、1.26米红外千里镜、1.56米千里镜、2.16米千里镜、多通道太阳千里镜、低纬子午环，人造卫星激光测距仪系统、6米年夜天区面积多方针光纤光谱天文千里镜LAMOST（郭守敬千里镜）、1米真空太阳千里镜NVST、太阳多波段迸发千里镜ONSET；1.2米近地天体千里镜、南极巡天千里镜CSTAR和AST3；

（2）射电天文仪器——氢原子钟、小铯钟，守时型铷喷泉钟，基准型铯喷泉钟、光学频次原子钟；密云多天线太阳射电干与仪、米波分析孔径射电千里镜、13.7米毫米波射电千里镜、中国甚长基线干与丈量系统VLBI、65米射电千里镜（天马）、明安图射电频谱日像仪MUSER、500米球面射电千里镜FAST（天眼）；

（3）空间天文仪器——暗物资探测卫星DAMPE（悟空）、硬X射线调制千里镜HXMT（慧眼）、太阳Hα光谱探测与双超平台科学手艺实验卫星“羲和号”，和本年10月初发射的进步前辈天基太阳天文台ASO-S……一批地面光学、射电和空间天文仪器在研制或预研中。

我国天文界经由过程这短短60多年的前仆后继和努力拼搏，使我国的天文仪器履历了从无到有，从小到年夜，从单一到各类不雅测装备，从光学到射电，从地面到空间的周全成长，此中部门到达了世界进步前辈乃至前沿的程度。迄今为止，我国的天文不雅测首要是依托本身研制的这些天文仪器。需要强调的是：这些天文仪器年夜多是在很是坚苦和艰辛的前提下，和经费相对较少的环境下研制成的，而且有思惟和手艺方式上的立异。

本文引见地面光学天文仪器。地面光学天文仪器不但在我国成长得最早，立异也比力凸起。天体丈量仪器的代表是光电等高仪、人造卫星激光测距仪系统和低纬子午环；太阳物理不雅测仪器最典型的是太阳磁场千里镜、太阳邃密布局千里镜，1米真空太阳千里镜NVST；天体物理不雅测仪器最凸起的是2.16米千里镜和年夜天区面积多方针光纤光谱千里镜LAMOST。

光电等高仪

1958年王绶琯和法国丹戎别离提出将光电记实方式用在棱镜等高仪不雅测的建议，但苏联学者巴浦洛夫认为长短常坚苦的。1963年，北京天文台李东明针对法国丹戎棱镜等高仪具有的首要错误谬误，提出了利用对称视栅光电方式来记实等高仪中双像星过等高圈时辰的道理的立异的等高仪方案。经南京天文仪器厂胡宁生缔造性的设想，1971年光电等高仪研制成功。光电等高仪到达国际进步前辈程度（不雅测精度0.16角秒和极限星等11.3，均为国际上最高），为中国世界时系统的成立和成长做出了进献。光电等高仪的研制1978年取得全国科学年夜会奖，不雅测和研究成果获1989年中科院天然科学一等奖。在李东明的掌管下，光电等高仪1992年实现不雅测全主动化，获中科院科技前进二等奖。我国研制的数台光电等高仪中的一台，至今还在阿根廷工作。

II型光电等高仪。供图／上海天文台

太阳磁场千里镜

太阳磁场千里镜是北京天文台艾国祥立异提出的太阳不雅测仪器。首要特点是在Lyot滤光器上加电光晶体调制进行磁场丈量，能够进行磁场的纵场和横场的丈量，并用太阳光球和色球两条谱线进行双条理磁场和速度场视频丈量。同期间的其他国际同类仪器都只用一条谱线，只能不雅测到太阳光球的磁场状况。太阳磁场千里镜的整体机能处在国际领先地位。这台中国天文学家自力发现和研制的天文仪器由北京天文台艾国祥、胡岳风等与南京天文仪器厂等单元合作研制成功，是今朝世界上最早进的太阳磁场不雅测装备，在1988年获国度科技前进一等奖。自1987年起，中国的太阳物理学家操纵太阳磁场千里镜取得了年夜量世界一流的太阳光球矢量磁场和色球磁场、速度场材料。这引发国际太阳物理学家的极年夜正视，认为该仪器为今世国际太阳物理研究的主要东西。太阳磁场千里镜为太阳物理的研究工作做出了很年夜的进献，其研究功效获1994年中科院天然科学一等奖。

太阳磁场千里镜。供图／国度天文台怀柔不雅测站

2.16米光学千里镜

2.16米千里镜1989年建成后到2008年是国内最年夜的光学天文千里镜，是我国天体物理不雅测出了良多功效的仪器。不但为我国天文学做出了凸起的进献，还培育了一多量天文仪器和实测天体物理的专业人材。2.16米千里镜由中国科学院南京天文仪器研制中间、北京天文台和主动化研究所合作研制的。这台千里镜是一架能进行各类天文工作的通用千里镜，包括折轴系统和卡塞格林系统。苏定强提出了一系列新的折轴系统，此中的一种成功地用在2.16米千里镜的光学系统中，使2.16米千里镜成为国际上第一架卡塞格林核心与折轴核心共用统一块副镜的千里镜，被美国天文学家亚丁·迈内尔（Aden Meinel）定名为SYZ中继镜折轴系统，这类折轴系统同时也构成了一种优异的三镜系统，将用在中国12米千里镜中。

2.16米光学系统中的卡塞格林核心更正镜的设想，象质显著跨越了那时国外的同类设想，是用苏定强和王亚男在1972年成长的评价函数的算法编写的国际上最早之一的光学主动优化设想法式设想的。此算法那时在国内被质疑，但90年月至今已在国际、国内遍及采取。因为这类评价函数的算法和计较机运算速度的提高，今朝已能够计较优化更多更好的天文千里镜光学系统。2.16米千里镜在1998年获国度科技前进一等奖。

年夜天区面积多方针光纤光谱千里镜LAMOST

LAMOST的根基思惟是王绶琯提出做超年夜范围光谱不雅测，改变国际上取得有缝光谱的天体数量其实太少的状况。为此，需要打破常规取得一架年夜视场兼备年夜口径的千里镜。苏定强1986年提出用自动光学方式发生镜面曲面外形持续转变的常规光学不成能实现的光学系统，苏文中的例子之一就是将一个Arecibo型千里镜的工作区（照明区）及时改变成抛物面或双曲面，1994年他与王绶琯合作起首用在了LAMOST的方案上，立异地处理了年夜视场千里镜（反射施密特系统）口径做不年夜的困难。具体是：LAMOST球面主镜固定，由反射更正镜跟踪天体，不雅测中经由过程自动光学将反射更正镜持续地变形为一系列分歧的非球面，及时校订天体光入射角的持续转变引发的分歧的球差，相当在构成一系列分歧参数的千里镜光学系统。这是与国际上用自动光学来仅保持年夜镜面外形的千里镜分歧的。LAMOST中最难的是，自动变形镜既是薄镜面又是拼镜面，且有两块年夜的拼接镜面。崔向群率领团队霸占了这一前人没有测验考试过的困难，实现了LAMOST的立异思惟和方案，不但把握了，还进一步成长了年夜千里镜的焦点要害手艺——自动光学手艺。

俯瞰LAMOST。

需要申明的是：我国自立研制的世界上最年夜的单口径射电千里镜“500米口径球面射电千里镜”FAST，为了消弭其千里镜系统（主反射面）的球差，减小馈源仓的尺寸和分量，1998年邱育海也提出了一样的立异思惟，行将镜面（主反射面）照明区的300米口径部门的面形及时自动持续转变为抛物面。这也是与所有采取了自动光学手艺仅保持反射面外形的射电千里镜分歧的，特殊是与美国305米射电千里镜Arecibo的分歧的地方。因而可知，我国的两项年夜科学装配LAMOST和FAST在国际上具有标新立异的立异。

LAMOST最年夜的镜面6.67米×6.05米，光颠末的两块年夜镜面后，全部项目范围相当在一架8米的千里镜。LAMOST的视场5度，焦面直径1.75米（是至今最年夜的千里镜焦面）。LAMOST团队立异发现了并行可控双反转展转臂机械人光纤定位新方式，可快速切确定位年夜焦面上的4000根光纤（今朝的手艺已可放1万根以上），毗连16台光谱仪，每次不雅测可取得最多4000天体的光谱。LAMOST在视场、口径、光纤数三项最主要的天体光谱巡天目标上均占有国际领先地位。2012年至今LAMOST已取得2000多万天体的光谱，颁发文章1000多篇，援用跨越万次，助力中国天文在银河系布局与演变、恒星物理等研究范畴走到了国际前沿。LAMOST的建成引发了国际天文界对超年夜范围光谱巡天的高度正视，多架4米-11米千里镜的年夜范围光谱巡天打算已建成或在打算中。此中已建成和在研制的几个光谱巡天项目采取了LAMOST立异发现的光纤定位新方式。

呼吁尽快建筑12米光学红外千里镜

比来5年的诺贝尔物理学奖中有三次都是天文学获奖，申明天文学愈来愈主要。天文学是以不雅测为主的科学，2009年国际天文年是以记念伽利略发现天文千里镜400年提出的，表现了天文仪器对现代天文学的主要性。近年来，我国空间天文学上去了，FAST建成了，LAMOST获得了年夜量天文功效，天文学有了显著的前进。但在我国光学天文方面，LAMOST是公用的光谱巡天千里镜，还很是需要年夜口径的通用精测千里镜，而我国的两架通用精测千里镜仅为2米级，与20世纪90年月到本世纪初，全球建筑的14架8-10米的千里镜，和欧洲南边天文台正在建筑的一架39米、美国在建筑的一架24.5米和一架30米的通用精测光学千里镜比拟较，我们的差距是惊人的。这类状况强烈地危险着一个GDP为世界第二的年夜国抽象，将严峻地限制中国天文成长。我国天文学急需一架12米年夜口径通用精测光学红外千里镜已经是天文界的共鸣。

12米光学红外千里镜模子。

需要强调的是，中国天文光学仪器专家不是没有能力建筑12米千里镜，而是完全有能力的，由于经由过程LAMOST的成功已成长了研制十几米乃至更年夜的光学千里镜的手艺。欧洲39米极年夜千里镜ELT的担任人和美国30米千里镜TMT的担任人看了LAMOST后，都曾暗示他们认为中国已具有自力研制30米级极年夜千里镜的能力。12米千里镜的焦点手艺，即主镜子镜的磨制手艺和自动光学拼接镜面手艺都已经是我们的成熟手艺并做好随时开建的预备。

LAMOST主镜，由37块1.1米六角形镜拼接而成。

LAMOST自动反射更正镜，由24块1.1米六角形镜拼接。

12米千里镜手艺难度不是很年夜，经费不是良多，研制时候也不是很长，我国又有很好的光学天文台址。在记念中国天文学会成立100周年之际，我们回首汗青，瞻望将来，强烈呼吁尽快启动立项建筑12米光学红外千里镜，使我国天文学健康成长，也为国际天文学作出进献。

——本文选自《中国国度天文》10月刊

作者简介 ：

崔向群，中国天文学会第十一届副理事长、第十二届理事长，中国科学院院士，南京天文光学与手艺研究所研究员。

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