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国际大科学计划和大科学工程介绍系列—大型巡天望远镜(LSST)(1)工程简介

2021-08-13 15:35     来源:中国科技云     国际大科学计划美国加速器实验室
美国斯坦福线性加速器中心(SLAC)国家加速器实验室、天文学研究大学协会(AURA)等牵头建造的大型巡天望远镜(LSST)是最庞大的国际大科学工程之一。本文将从工程简介、我国参与情况以及信息基础设施等方面进行初略介绍。

一、工程简介

1. 背景介绍

Vera C. Rubin天文台,以前被称为大型巡天望远镜(LSST),是智利目前正在建设的一座天文台。它的主要任务是天文测量,即时空遗迹巡天(LSST)。

LSST是一种新型的望远镜。它拥有世界上最大的集光能力,可以在短时间内探测到微弱的物体。它独特的广角视野使它能同时观察大面积的天空;小巧灵活,可在图像间快速移动。每晚拍摄800多张全景照片,每周可以覆盖两次天空。

LSST强大的数据系统将新的图像与以前的图像进行比较,以检测亮度和位置的变化。天空每一部分的数百张图片将被用来制作成天空的视频。视频可以用来检测和跟踪潜在的危险小行星,因为小行星可能会影响地球,造成重大损害。

来自LSST的数据将被用来绘制一幅具有前所未有深度和细节的宇宙三维地图。这张地图可以用来定位神秘的暗物质和描述更神秘的暗能量的特性。

LSST计划于2001年提出,2007年开始由私人资金资助建造镜,2008年1月,查尔斯·西蒙尼和比尔·盖兹分别捐赠2000万美金和1000万美金给LSST计划。LSST成为2010年天体物理学十年调查中排名第一的大型地基工程。

该项目正式开始于2014年8月1日,当时美国国家科学基金会(NSF)批准了FY2014部分(2750万美元)的建筑预算。资金来自NSF、美国能源部和由国际非营利组织专门筹集的私人资金,由天文学研究大学协会(AURA)进行监管。

牵头组织是:

■SLAC国家加速器实验室设计和建造LSST相机

■美国国家光学天文观测台提供的望远镜和站点团队

■美国超级计算应用中心建设和测试档案和数据访问中心

■天文学研究大学协会负责监督LSST的建设。

LSST的正式铺设于2015年4月14日进行。现场施工于2015年4月14日开始,工程摄像机预计于2022年10月初亮,2023年10月前未开始全面测量作业,由于COVID相关的进度延迟。LSST数据将在两年后完全公开。

2. LSST的组成

LSST采用独特的三透镜光学组件和世界上最大的CCD相机。望远镜的运动由磁力马达驱动,确保从一个观测场到另一个观测场的快速、平稳和安静的旋转。望远镜的主动光学系统允许我们改变不同镜子的形状,以便不断提高图像质量。遮光罩、防风和热控制以及自然通风和白天制冷可以缓解环境问题,如环境光照、风和温度的大变化,这些都会影响图像质量。

LSST的望远镜和设备设计为高度自动化,几乎不需要人工干预。在观测过程中,望远镜将由一个先进的天文台软件调度器控制,而操作员将始终在山顶值班。研究人员还可以在任何远程操作中心实时监控进度。部分工作人员将确保安全运行,并根据需要排除故障。

LSST相机是迄今为止建造的最大的数码相机。它大约有5.5英尺(1.65米)乘9.8英尺(3米),大约相当于一辆小型汽车的大小,重约6200磅(2800公斤)。它是一种大口径、宽视场光学成像仪,能够观察从近紫外到近红外(0.3-1μm)波长的光。LSST相机设计能提供3.5度的视野,其10μm像素能够进行0.2弧秒的采样,以优化像素灵敏度和像素分辨率。

LSST镜头将以最少的停机和维护时间产生极高质量的数据。

LSST的山顶设施目前正在智利中北部的安第斯山脉的Cerro Pachón山脊上建造。Cerro Pachón位于内陆,距离LSST基地设施所在的支持城镇La Serena约60英里(100公里)。

LSST天文台的顶层设施包括望远镜墩、一个支持旋转圆顶的低层围墙(直径30米)以及一个附属的32000平方英尺(3000平方米)服务和操作大楼。附近有一个单独的围墙,容纳天文台的辅助望远镜。

LSST山顶设施的设计利用了Cerro Pachón的El Peñón山顶的自然地形。主望远镜的外壳占据了最高和最大的山峰,而附属的服务和操作大楼则在东南方向的马鞍区。辅助望远镜位于东部较远的一个较小的山峰上。山顶设施的具体方向是在广泛的天气测试和计算流体动力学(CFD)分析验证后,选择的最小的空气干扰的望远镜最佳观察环境。对该地点的天然岩石进行的岩土工程研究表明,它是坚固和抗侵蚀的。

软件也是LSST最具挑战性的方面之一,因为每晚必须处理和储存超过20兆字节的数据。本文将在后续对LSST的数据管理系统进行详细介绍。

3. LSST的目标

LSST的具体科学目标包括:

■通过对量弱引力透镜、重子声学振荡和Ia型超新星光度的测量,研究暗能量和暗物质。

■绘制太阳系中的小天体,特别是近地小行星和Kuiper belt天体。LSST预计将使编入目录的天体数量增加10-100倍。它还将有助于寻找假设的九号行星。

■探测瞬时天文事件,包括新星、超新星、伽马射线暴、类星体变异性和引力透镜,并针对事件提供及时的通知以促进后续行动。

■绘制银河系图。

人们还希望,LSST所产生的大量数据将促进更多的科学发现。

美国国会要求NASA对90%的140米以上的近地天体进行探测和编目。LSST本身估计可以探测到62%的这类天体,而根据美国国家科学院的说法,将其调查时间从10年延长到12年,这将是完成这一任务的最经济的方法。

LSST还有一个教育和公共推广计划(EPO)。LSST的EPO将为四大类用户服务:普通公众、正规教育工作者、公民科学的主要研究者,以及非正规科学教育设施的内容开发者。LSST将与Zooniverse(公民科学网络门户)合作开展一些公民科学项目。

参考文献:

https://www.lsst.org/about

https://en.wikipedia.org/wiki/Vera_C._Rubin_Observatory

https://www.lsstcorporation.org/mission


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