[發明專利]一種超靈敏光譜成像天文望遠鏡及天文光譜成像方法

有效

• 申請號: 201410232184.4
• 申請日: 2014-05-28
• 公開（公告）號: CN104019898B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 劉雪峰;翟光杰;王超;俞文凱;姚旭日
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G02B23/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司11318
• 代理人: 楊小蓉

技術領域

本發明涉及天文學領域，特別涉及一種超靈敏光譜成像天文望遠鏡及天文光譜成像方法。

背景技術

天文望遠鏡是觀測天體的重要工具，可以毫不夸大地說，沒有望遠鏡的誕生和發展，就沒有現代天文學。隨著望遠鏡在各方面性能的改進和提高，天文學也正經歷著巨大的飛躍，迅速推進著人類對宇宙的認識。

按工作波段的不同，天文望遠鏡可分為光學望遠鏡和射電望遠鏡。其中光學望遠鏡主要以可見光為工作波段，根據使用地點的不同，可以分為地面天文望遠鏡和空間天文望遠鏡。由于光學系統的不同，又可以分為反射望遠鏡、折射望遠鏡、折反射望遠鏡等類型。射電望遠鏡主要以無線電波為工作波段。目前地面觀測絕大多數處于凝聚態的天體(恒星等)仍以光學波段觀測為主要手段，這是由于：大多數恒星等天體溫度范圍從數千度到數萬度，輻射集中在光學波段；攜帶大量天體物理信息的譜線，主要集中于可見區；大氣在可見區有良好的透射。

在天文觀測中，光譜信息的獲取具有重要的意義，這是因為天文學中大量的信息能以光譜的形式表現出來。第一，對宇宙和星系的研究。宇宙的誕生、星系的形成等前沿問題都建立在對星系物理的研究基礎之上。研究宇宙大尺度結構依賴于星系紅移巡天的工作。獲取星系的光譜就能得到星系的紅移，進而知道它的距離，由此獲得星系的三維分布，這樣就可以了解整個宇宙空間的結構，同時可以研究包括星系的形成、演化在內的宇宙大尺度結構和星系物理。獲取星系的光譜是進行這一工作最基礎的需要。第二，對恒星和銀河系的結構特征的研究。由于不同元素具有不同的特征譜線，通過一顆恒星的光譜，可以分析出其元素構成和含量等化學組成，可以分析出其密度、溫度等物理條件，還可以測量出其運動速度和運行軌跡等。研究了不同種類的恒星的分布，可以研究出銀河系的結構和銀河系的形成。第三，對宇宙生命的研究。通過恒星或行星的光譜，可以研究其表面水分和氧氣的含量，以確定是否存在生物的可能。因此，在天文學中對光譜的研究具有重要而不可替代的作用。

然而，天文望遠鏡要想同時獲得天文圖像和天文光譜信息是十分困難的，其中最主要的困難是維度的問題。二維的天文圖像與一維的光譜信息共有三維信息，按照傳統的信息獲取方式，則需要具有三個維度的探測器，而目前這顯然是無法實現的，因此現有的大量的天文望遠鏡只能分別獲得天文圖像信息或天文光譜信息，而無法同時獲得兩方面的信息。一種解決方法是在普通的天文望遠鏡上通過二維探測器獲取圖像信息，再通過濾光片等方式濾出某一感興趣的波段的光信號進行成像，這樣可以獲得單一波段的光譜成像，而要獲得多波段或全波段的光譜成像只能通過改變濾光系統進行重復測量，而獲得不同波段的圖像。這種光譜成像的方式需要通過掃描光譜實現，要獲得高分辨率的光譜，必然會帶來巨大的時間成本，而且本質上仍然無法實現天文圖像信息和天文光譜信息的同時獲取。

靈敏度是天文望遠鏡非常重要的指標，因為天文望遠鏡靈敏度提高，就能夠看到更暗更遠的天體，這等同于能夠看到更早期的宇宙，這對于研究宇宙的起源等人類關心的最基本問題具有重要意義。在天文光譜探測中，由于只獲取單一波段的信息，與全波段成像時相比光信號的強度大大減弱，因此對靈敏度的要求更高。天文光譜望遠鏡的靈敏度提高，就可以將光譜測量時的波長分得更細，獲得更高的光譜分辨率。因此天文成像和天文光譜成像的發展需要更高靈敏度的天文望遠鏡。

目前天文望遠鏡靈敏度的提高主要通過口徑的增大來實現，望遠鏡的口徑越大，集光能力越強，靈敏度也會越高，因此現代天文望遠鏡的口徑制作地越來越大。但是，隨著望遠鏡口徑的增大，一系列的技術問題接踵而來。例如，口徑5米的海爾望遠鏡曾經是世界上最大的天文望遠鏡，它的鏡頭自重達14.5噸，可動部分的重量為530噸，而后來建成的6米口徑天文望遠鏡更是重達800噸。一方面，望遠鏡的自重過大會使鏡頭變形相當明顯，另一方面，鏡體溫度不均也令鏡面產生畸變，進而影響成像質量。從制造方面看，傳統方法制造望遠鏡的費用幾乎與口徑的平方或立方成正比，所以制造更大口徑的望遠鏡在性能和費用上都受到極大限制。