6.5m寬視場巡天望遠鏡光學系統(tǒng)設計

近日，清華大學精儀系和天文系聯(lián)合領導的技術團隊，聯(lián)合國際、國內專家，在6.5m寬視場巡天望遠鏡（Multiplexed survey telescope，MUST）的概念設計方面取得重要突破。該望遠鏡設計采用里奇-克萊琴結構，結合五片超大口徑透鏡組成的改正鏡組，將實現(xiàn)具備世界領先的巡天效率和高質量光譜信息探測。

該研究成果近日以“6.5m寬視場光譜巡天望遠鏡（MUST）光學系統(tǒng)概念設計”（Conceptual Design of the Optical System of the 6.5m Wide Field MUltiplexed Survey Telescope with Excellent Image Quality）為題發(fā)表于國際著名光學刊物《光子X》（PhotoniX）。

天文學、天體物理學是研究宇宙空間天體、宇宙結構和發(fā)展的科學，它跟所有自然科學一樣是一門實驗科學，望遠鏡就是最重要的實驗觀測設備之一。天文學正以前所未有的速度發(fā)展，近十年來，天文發(fā)現(xiàn)多次榮獲了諾貝爾物理學獎，但仍有許多關于宇宙本質的前沿問題亟待解決。當前，各國正在籌建新一代大型天文觀測設備。然而，這些設備缺乏后續(xù)的光譜后隨巡天。光譜觀測包括的紅移、視向速度、化學成分、星族構成和運動學性質等物理參數(shù)是圖像觀測難以得到的信息。因此，多目標光譜望遠鏡可以在數(shù)十年里保持競爭力和高產出，并且得到新的海量光數(shù)據(jù)，有望獲得重大新物理發(fā)現(xiàn)。在2022年夏季結束的國際高能物理學界的Snowmass2021學術規(guī)劃討論中，宇宙前沿（Cosmic Frontier）的報告中已明確指出：宇宙學的發(fā)現(xiàn)和未來對暗能量、暗物質的探索迫切地需要第五代寬視場光譜巡天。基于對中大型光譜巡天望遠鏡的急切需求，清華大學提出研制國際領先的、首個第五代寬視場光譜巡天望遠鏡，并將建設在中國青海省海西州冷湖賽什騰山臺址。

圖1. MUST的概念設計示意圖

清華大學MUST項目團隊，依托清華大學天文技術中心，在清華大學精密儀器系和天文系的領導下，聯(lián)合華盛頓卡內基研究所卡內基天文臺、南京大學天文與空間科學學院、南京大學現(xiàn)代天文學和天體物理學重點實驗室等國內外科研機構與專家，共同完成了MUST光學系統(tǒng)的概念設計（如圖1所示）。設計完成的MUST光學系統(tǒng)如圖2所示，其中主鏡采用6.5m直徑的蜂窩狀輕質單鏡；副鏡采用2.4m直徑的凸雙曲面鏡，與凹雙曲面主鏡組合，構成基本的里奇-克萊琴望遠鏡光學系統(tǒng)；系統(tǒng)設計焦比為F/3.6，總焦距為23323mm，可有效消除焦平面上的球差和彗差。與主鏡和副鏡一起，五透鏡的寬視場校正鏡組設計可以通過補償大氣色散和波前像差來提高圖像質量。天體發(fā)出的0.365μm到1.100μm波段的光線通過光學系統(tǒng)后被焦面多達20000根光纖同步接收，傳輸至后端中高分辨光譜儀獲取豐富的光譜信息。

通過該光學系統(tǒng)，可以實現(xiàn)優(yōu)越的成像質量。如圖3所示，0度天頂角時，MUST全視場內的RMS彌散斑半徑均優(yōu)于21.1μm，系統(tǒng)像差得到有效控制。隨著觀測天頂角的增加，在最大50°天頂角下，RMS彌散斑半徑仍可精確控制優(yōu)于22.3μm、且視場中心RMS彌散斑半徑優(yōu)于16.6μm，這展示了所設計的光學系統(tǒng)具備良好的大氣色散校正能力。在整個7平方度視場范圍和50°天頂角的巡天區(qū)域內，80%環(huán)繞能量直徑均小于0.51角秒、且最小值達0.36角秒，可實現(xiàn)與終端光纖探測陣列的精準匹配。除此之外，論文還分別介紹了光學系統(tǒng)在熱效應和公差分析下的穩(wěn)定性，全面展現(xiàn)了該光學系統(tǒng)設計的優(yōu)越性。

圖2.(a) MUST光學系統(tǒng)，其中M1為6.5米主鏡、M2為2.4米副鏡。(b) WFC由透鏡L1~L5組成。L1的背面(L1-B)、L2的正面(L2-F)、L3的正面(L3-F)、L5的背面(L5-B)為非球面

圖3.(a)-(c)MUST朝向0°、30°和50°天頂角方向。(d)-(f)不同天頂角下3°視場范圍內的光斑圖案。圖中參考圓的尺寸為150μm（相當于1.3角秒）。(g)-(i)在不同天頂角下各視場光斑的RMS半徑。(j)-(l)在不同天頂角下整個3°視場中的RMS光斑半徑分布。(m)-(o)在不同天頂角下環(huán)繞能量曲線。(p)不同天頂角下80%環(huán)繞能量直徑隨視場變化曲線。(q)不同天頂角下未漸暈光線比隨視場變化曲線。(r)不同天頂角下的最大畸變

設計完成的MUST望遠鏡光學口徑達6.5米、視場7平方度、光纖數(shù)20000以上、光譜覆蓋0.365–1.10μm，其獲取光譜的能力是國際上目前同類設備的10倍以上，正處于目前國際天文望遠鏡參數(shù)空間的重大空白，將有望在暗能量和暗物質本質、引力波、宇宙學、系外行星和星系形成等前沿科學方向上取得重大基礎性、原創(chuàng)性突破。 論文第一作者為清華大學精密儀器系2021級博士研究生張藝凡，通訊作者為清華大學精密儀器系黃磊教授，清華大學天文系姜海嬌副研究員、蔡崢副教授為論文共同通訊作者。相關研究工作得到科技部“十四五”國家重點研發(fā)計劃、清華大學2030創(chuàng)新行動計劃、清華大學教育基金會、江陰-清華創(chuàng)新行動專項、青?！袄鲇⒉拧庇媱澋戎С?。

編輯：黃飛

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