Thiết kế khái niệm của hệ thống quang học cho kính viễn vọng khảo sát đa đường kính 6.5m với chất lượng hình ảnh xuất sắc

PhotoniX - Tập 4 Số 1
Yifan Zhang1, Hongjun Jiang1, Stephen Shectman2, Dehua Yang1, Zheng Cai1, Yong Shi3, Song Huang4, Lu Lu1, Yamin Zheng1, Shaonan Kang1, Shude Mao4, Linda Huang4
1MUltiplexed Survey Telescope (MUST) Project Collaboration, Tsinghua University, Beijing, 100084, China
2Carnegie Institution of Washington, The Carnegie Observatories, Pasadena, CA, 91101, USA
3School of Astronomy and Space Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China
4Center for Astronomy Technology, Tsinghua University, Beijing, 100084, China

Tóm tắt

Tóm tắtTrong những thập kỷ tới, ngành thiên văn học và vũ trụ học cần khẩn cấp một kính thiên văn khảo sát quang phổ có trường nhìn lớn (FOV), đa kênh và đáp ứng các yêu cầu chất lượng hình ảnh và độ ổn định khó khăn. Kính viễn vọng Khảo sát Đa đường kính (MUST) có gương chính 6.5m do Đại học Tsinghua đề xuất sẽ được xây dựng trên núi Saishiteng miền Tây Bắc Trung Quốc nhằm cải thiện khả năng khảo sát quang phổ của các kính thiên văn quang học trên mặt đất. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày thiết kế khái niệm của hệ thống quang học của MUST. MUST sẽ sử dụng gương chính 6.5m, gương phụ 2.45m và một bộ điều chỉnh trường rộng nhiều phần tử (WFC) để đảm bảo chất lượng hình ảnh xuất sắc với kích thước năng lượng bao quanh 80% của các điểm hình ảnh nhỏ hơn khoảng 0.6 giây cung. Nhờ hệ thống Ritchey-Chretien 6.5m gọn gàng và 20.000 sợi quang học trên tiêu cự Cassegrain, MUST sẽ thực hiện các khảo sát quang phổ trường rộng tiên tiến với hiệu suất cao hơn ~ 19 lần so với Công cụ Quang phổ Năng lượng Tối (DESI) theo một phương pháp được đề xuất bởi Ellis et al. Sau khi hoàn thành vào khoảng năm 2029, MUST sẽ trở thành một trong những kính viễn vọng khảo sát quang phổ trường rộng tiên tiến nhất thế giới và là một tham khảo thiết yếu cho sự phát triển tương lai của các kính viễn vọng khảo sát trường rộng. Nó sẽ mở ra những tiến bộ đáng kể trong nhiều lĩnh vực về thiên văn học và vũ trụ học.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Gilmozzi R, Jason S. The European extremely large telescope (E-ELT). Messenger. 2007;127(11):3.

Tamai R, Cirasuolo M, González JC, Koehler B, Tuti M. The E-ELT program status. Ground-based Airborne Telescopes VI SPIE. 2016;9906:350–62.

Cole G. Optical fabrication and metrology for the thirty meter telescope primary mirror segments. Optical Fabrication and Testing. 2017. https://doi.org/10.1364/OFT.2017.OW1B.4.

Crampton D, Simard L. Instrument concepts and scientific opportunities for TMT. Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy. SPIE. 2006. https://doi.org/10.1117/12.669666.

Davila P, Wood HJ, Atcheson PD, Saunders R, Sullivan J, Vaughan AH, Saisse M. Telescope simulators for Hubble: an overview of optical designs. Appl Opt. 1993;32:1775–81.

Leckrone DS. The Life and Times of the Hubble Space Telescope. Frontiers in Optics. 2008. https://doi.org/10.1364/FIO.2008.STuA3.

Gunn JE, Siegmund WA, Mannery EJ, Owen RE, Hull CL, Leger RF, Carey LN, Knapp GR, York DG, Boroski WN, Kent SM, Lupton RH, Rockosi CM, Evans ML, Waddell P, Anderson JE, Annis J, Barentine JC, Bartoszek LM, Bastian S, Bracker SB, Brewington HJ, Briegel CI, Brinkmann J, Brown YJ, Carr MA, Czarapata PC, Drennan CC, Dombeck T, Federwitz GR, Gillespie BA, Gonzales C, Hansen SU, Harvanek M, Hayes J, Jordan W, Kinney E, Klaene M, Kleinman SJ, Kron RG, Kresinski J, Lee G, Limmongkol S, Lindenmeyer CW, Long DC, Loomis CL, McGehee PM, Mantsch PM, Neilsen EH, Neswold RM, Newman PR, Nitta A, Peoples J, Pier JR, Prieto PS, Prosapio A, Rivetta C, Schneider DP, Snedden S, Wang S. The  Sloan Digital Sky Survey. Astron. J. 2006; 131:2332–2359.

Bundy K, Bershady MA, Law DR, Yan R, Drory N, MacDonald N, Wake DA, Cherinka B, Sánchez-Gallego JR, Weijmans AM, Thomas D. Overview of the SDSS-IV MaNGA survey: mapping nearby galaxies at Apache Point observatory. Astrophys. J. 2014;798(7).

Drory N, MacDonald N, Bershady MA, Bundy K, Gunn J, Law DR, Smith M, Stoll R, Tremonti CA, Wake DA, Yan R, Weijmans AW, Byler N, Cherinka B, Cope F, Eigenbrot A, Harding P, Holder D, Huehnerhoff J, Jaehnig K, Jansen TC, Klaene M, Paat AM, Percival J, Sayres C. The MaNGA integral field unit fiber feed system for the Sloan 2.5 m telescope. Astron. J. 2015;149(77).

Fabricant D, Fata RG, McLeod BA, Szentgyorgyi AH, Barberis J, Bergner HW, Brown WR, Caldwell N, Conroy MA, Eng R, Epps H, Furesz G, Gauron TM, Geary J, Goddard RE, Hartmann L, Hertz EN, Honsa M, Mueller M, Norton TJ, Ordway MP, Roll JB, Williams GG, Freedman-Woods DL, Zajac JM. The 6.5-m MMT's f/5 wide-field optics and instruments. Ground-based Instrumentation for Astronomy. SPIE. 2003; 5492:767–778.

Williams GG, The MMT. Observatory: entering a new era of scientific discovery. Ground-based Airborne Telescopes VII SPIE. 2018;10700:907–15.

Doel P, Sholl MJ, Liang M, Brooks D, Flaugher B, Gutierrez G, Kent S, Lampton M, Miller T, Sprayberry D. The DESI wide field corrector optics. Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy V. SPIE. 2014; 9147:2124–2130.

Jelinsky P, Wechsler R, Sharples R, Schubnell M, Rabinowitz D, Brooks D, Martini P, Besuner RW, Flaugher B, Levi ME, Rockosi C, Schlegel DJ, Sprayberry D, Bailey S, Doel P, Edelstein J, Honscheid K, Eisenstein D, Gutierrez G, Harris S, Poppett C, Silber JH, Joyce R, CardielSas L, Prada F, Kent S. Overview of the dark energy spectroscopic instrument. SPIE. 2018;10702:410–20.

Tamura N, Takato N, Shimono A, Moritani Y, Yabe K, Ishizuka Y, Ueda A, Kamata Y, Aghazarian H, Arnouts S, Barban G, Barkhouser RH, Borges RC, Braun DF, Carr MA, Chabaud PY, Chang YC, Chen HY, Chiba M, Chou RCY, Chu YH, Cohen J, de Almeida RP, de Oliveira AC Sr, de Oliveira LS, de Oliveira LS, Dekany RG, Dohlen K, dos Santos JB, dos Santos LH, Ellis R, Fabricius M, Ferrand D, Ferreira D, Golebiowski M, Greene JE, Gross J, Gunn JE Sr., Hammond R, Harding A, Hart M, Heckman TM, Hirata CJ, Ho P, Hope SC, Hovland L, Hsu SF, Hu YS, Huang PJ, Jaquet M, Jing Y, Karr J, Kimura M, King ME, Komatsu E, Le Brun V, Le Fèvre O, Le Fur A, Le Mignant D, Ling HH, Loomis CP, Lupton RH, Madec F, Mao P, Marrara LS, Mendes de Oliveira C, Minowa Y, Morantz C, Murayama H, Murray GJ, Ohyama Y, Orndorff J, Pascal S, Pereira JM, Reiley D, Reinecke M, Ritter A, Roberts M, Schwochert MA, Seiffert MD, Smee SA, Sodre L Jr, Spergel DN, Steinkraus AJ, Strauss MA, Surace C, Suto Y, Suzuki N, Swinbank J, Tait PJ, Takada M, Tamura T, Tanaka Y, Tresse L, Verducci O Jr, Vibert D, Vidal C, Wang SY, Wen CY, Yan CH, Yasuda N. Prime focus spectrograph (PFS) for the Subaru telescope: overview, recent progress, and future perspectives. SPIE. 2016;9908:456–472.

Tamura N, Takato N, Shimono A, Moritani Y, Yabe K, Ishizuka Y, Kamata Y, Ueda A, Aghazarian H, Arnouts S, Barkhouser RH, Balard P, Barette R, Belhadi M, Burnham JA, Caplar N, Carr MA, Chabaud PY, Chang YC, Chen HY, Chou CY, Chu YH, Cohen JG, de Almeida RP, de Oliveira AC, de Oliveira LS, Dekany RG, Dohlen K, dos Santos JB, dos Santos LH, Ellis RS, Fabricius M, Ferreira D, Furusawa H, Garcia-Carpio J, Golebiowski M, Gross J, Gunn JE, Hammond R, Harding A, Hart M, Heckman TM, Ho PTP, Hope SC, Hover DJ, Hsu SF, Hu YS, Huang PJ, Jamal S, Jaquet M, Jeschke E, Jing Y, Kado-Fong E, Karr JL, Kimura M, King ME, Koike M, Komatsu E, Le Brun V, Le Fèvre O, Le Fur A, Mignant DL, Ling HH, Loomis CP, Lupton RH, Madec F, Mao PH, Marchesini D, Marrara LS, Medvedev D, Mineo S, Minowa Y, Murayama H, Murray GJ, Ohyama Y, Onodera M, Orndorff J, Pascal S, Peebles J, Pernot G, Pourcelot R, Reiley DJ, Reinecke M, Roberts M, Rosa JA, Rousselle J, Schmitt A, Schwochert MA, Seiffert MD, Siddiqui H, Smee SA, Sodré Jr L, Steinkraus AJ, Strauss MA, Surace C, Tait PJ, Takada M, Tamura T, Tanaka M, Tanaka Y, Thakar AR, Jr OV, Vibert D, Wang SY, Wang Z, Wen CY, Werner S, Yamada Y, Yan CH, Yasuda N, Yoshida H, Yoshida M. Prime Focus Spectrograph (PFS) for the Subaru telescope: ongoing integration and future plans. Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy VII. SPIE. 2018;10702:398–409.

Kaifu N. Subaru Telescope. Advanced Technology Optical/IR Telescopes VI SPIE. 1998;3352:14–22.

Cui XQ, Zhao YH, Chu YQ, Li GP, Li Q, Zhang LP, Su HJ, Yao ZQ, Wang YN, Xing XZ, Li XN, Zhu YT, Wang G, Gu BZ, Luo AL, Xu XQ, Zhang ZC, Liu GR, Zhang HT, Yang DH, Cao SY, Chen HY, Chen JJ, Chen KX, Chen Y, Chu JR, Feng L, Gong XF, Hou YH, Hu HZ, Hu NS, Hu ZW, Jia Lei1, Jiang FH, Jiang X, Jiang ZB, Jin G, Li AH, Li Y, Li YP, Liu GQ, Liu ZG, Lu WZ, Mao YD, Men L, Qi YJ, Qi ZX, Shi HM, Tang ZH, Tao QS, Wang DQ, Wang D, Wang GM, Wang H, Wang JN, Wang J, Wang JL, Wang JP, Wang L, Wang SQ, Wang Y, Wang YF, Xu LZ, Xu Y, Yang SH, Yu Y, Yuan H, Yuan XY, Zhai C, Zhang J, Zhang YX, Zhang Y, Zhao M, Zhou F, Zhou GH, Zhu J, Zou SC. The large sky area multi-object fiber spectroscopic telescope (LAMOST). Res. Astron. Astrophys. 2012;12(9):1197.

Zhao YH. Spectroscopic survey of LAMOS. Ground-based and Airborne Telescopes V SPIE. 2014;9145:439–44.

Cui XQ, Su DQ, Wang YN. Progress in the LAMOST optical system. Optical Design, Materials, Fabrication, and Maintenance. SPIE. 2000; 4003:347–354.

Wang SG, Su DQ, Chu YQ, Cui XQ, Wang YN. Special configuration of a very large Schmidt telescope for extensive astronomical spectroscopic observation. Appl Opt. 1996;35:5155–61.

Bai ZR, Zhang HT, Yuan HL, Fan DW, He BL, Lei YJ, Dong YQ, Yu SC, Zhao YH, Zhang Y. The first data release of LAMOST low-resolution single-epoch spectra. Res Astron Astrophys. 2021;21(10):249.

Deng L, Yang F, Chen X, He F, Liu Q, Zhang B, Zhang CG, Wang K, Liu N, Ren AB, Luo ZQ, Yan ZZ, Tian JF, Pan J. Lenghu on the Tibetan Plateau as an astronomical observing site. Nature. 2021;596:353–6.

Eads R, Angel R. 6.5 m telescope for multi-object spectroscopy over a 3° field of view. Appl. Opt. 2020; 59:154–159.

Tan H, Ma D. Recommended optical system design for the SSST. Appl Opt. 2020;59(11):3508–17.

Bai H, Su DQ, Liang M, Shectman SA, Yuan XY, Cui XQ. Optical system research of multi-object fiber spectroscopic survey telescope. Res Astron Astrophys. 2021;21(6):132.

Wynne CG. Ritchey-Chretien telescopes and extended field systems. ApJ. 1968;152:675.

Dos Santos JB, de Oliveira AC, Gunn J, de Oliveira LS, de Arruda MV, Castilho B, Gneiding CD, Ribeiro FF, Murray G, Reiley DJ, Junior LS, de Oliveira CM. Studying focal ratio degradation of optical fibers for Subaru’s prime focus spectrograph. SPIE. 2014;9151:1703–8.

Crause L, Bershady M, Buckley D. Investigation of focal ratio degradation in optical fibres for astronomical instrumentation. SPIE. 2008;7014:2194–204.

Ramsey LW. Focal ratio degradation in optical fibers of astronomical interest. Fiber optics in astronomy.1988;3:26–39.

Smith WJ. Modern optical engineering: the design of optical systems. 4th ed. New York: McGraw-Hill; 2008.

Linyao Y, Qun W, Tianyi Z. Design of long focal infrared catadioptric optical system for multi-guided system. CHIN OPT. 2015;8(2):234–40.

Ellis RS,Bland-Hawthorn J, BremerM, Brinchmann J, Guzzo L, Richard J, Rix HW, Tolstoy E, Watson D. The Future of Multi-Object Spectroscopy: a ESO Working Group Report. arXiv:1701.01976. https://doi.org/10.48550/arXiv.1701.01976.