南京天文光学技术研究所研制的先进光谱仪助力帕洛马天文台迈向新高度
11月8日,加州理工学院帕洛马天文台的天文学家使用了一台全新的光谱仪设备“下一代帕洛马光谱仪(NGPS)”,捕获并证认了一颗新发现的Ia型超新星。这颗爆发的恒星光谱图让许多自2017年以来一直在研发这台仪器的中美团队成员欣喜不已。相比于海尔望远镜上已有40多年历史的双通道光谱仪(DBSP),NGPS新获得的首光光谱图展示了其更加优越的性能,能够观测到更多细节和更暗的目标。
NGPS是为国际著名的5米海尔望远镜研制的新一代光谱仪,具有宽波段、高通量和智能化的特点。NGPS整体为四通道设计,单次曝光可实现310nm-1040nm的宽波段覆盖;光谱分辨率可实现1800-6000;包含大气和望远镜的仪器峰值效率优于45%,为国际先进水平。光谱仪可切换自适应光学系统,配置连续可调像切分器,将成为时域天文后随观测最先进的利器。
NGPS的技术团队包括中国科学院南京天文光学技术研究所(简称:南京天光所)、加州理工学院(Caltech)及美国喷气推进实验室(JPL);科学团队包括北京大学科维理天文与天体物理研究所(KIAA)、中国科学院国家天文台(NAOC)、帕洛马天文台等。NGPS的成功得益于北京大学学科建设经费的强力支持,后续又获得了中国国家自然科学基金、美国国家科学基金会(NSF)及Heising-Simons基金会的资助支持。国家天文台和帕洛马天文台所保持的长期双边协议为该仪器项目奠定了合作基础。
南京天光所在NGPS项目中负责光谱仪的主体框架、光谱仪本体、分色镜和导星系统的研制;美国团队负责定标系统、像切分器、电控箱和探测器的研制,其中关键的光学器件(如:像切分器),则委托南京天光所研制。
NGPS于2021年8月完成项目研制方案国际评审;2023年3月完成导星交付,5月与望远镜完成出光测试;2023年7月先后完成“新一代宽波段高通量光学光谱仪”和NGPS国际交付评审;2024年1月起运加州理工学院,然后与R和I通道探测器、像切分器、定标系统及电控箱等开展实验室的集成测试;2024年11月15日完成与望远镜的对接安装测试并获得科学光谱。
NGPS的首次“点亮”不仅验证了其极高的灵敏度和卓越性能,更标志着这一项目的国际合作进入全新高度。
海尔望远镜自1949年至1993年一直是世界上有效口径最大的望远镜,并且至今仍是世界上产出效率最高的望远镜之一。“旧的双通道光谱仪(DBSP)是帕洛马天文台已经服务了40多年的主力设备,产生了数千篇科学论文。”加州理工学院教授兼仪器首席科学家Mansi Kasliwal说,“NGPS的效率是DBSP的三倍以上,完全超越了它。”
国内外的天文学家将有机会利用NGPS研究从银河系中最古老和最年轻的恒星到遥远的星系、超大质量黑洞、超新星和潮汐破坏事件的各种天体现象。中国拥有许多先进的设备,爱因斯坦探针卫星(“天关”)、多通道测光巡天望远镜(“梦飞”)和大视场巡天望远镜(“墨子”),并且即将拥有中国空间站巡天望远镜(CSST),这些设施发现的许多激动人心的目标都可以用NGPS去进行后随观测证认。
目前,NGPS的R和I两个通道已经出光,接下来研制团队计划将DBSP的两台探测器用于另外的U和G两个通道,以观测蓝端部分的光谱。NGPS未来也将与正在开发的地面层自适应光学系统SIGHT协同工作,通过校正大气湍流,提高星象的空间分辨率,从而进一步优化仪器的探测灵敏度。
图1. NGPS的整体结构及各个子系统组成示意图
图2. 2023年3月15日,NGPS导星系统出所交付
图3. 2023年7月13日,NGPS国际交付评审(加州理工学院项目经理Rob Bertz和科学家Lin Yan现场参会)
图4. NGPS南京天光所技术研制团队成员
图5. NGPS美国部分技术和科学研制团队成员
图6. NGPS安装在帕洛马天文台海尔望远镜
图 7. NGPS的第一个科学光谱,这一成果将超新星 ZTF24abrfcq 归类为由白矮星爆炸引起的超新星类型。NGPS将光分成两个不同的波段以优化灵敏度。蓝色和橙色是来自R和I波段检测器的光谱。团队后续计划对光谱覆盖范围进行升级扩展到310nm。
相关链接:
1.新一代宽波段高通量光学光谱仪通过国际评审和技术验收
https://niaot.cas.cn/xwzx/tpxw/202308/t20230823_6865256.html
2.帕洛马天文台新一代光谱仪项目研制方案顺利通过国际评审
https://niaot.cas.cn/xwzx/tpxw/202109/t20210908_6199000.html
3.NGPS获得一颗新爆发的I型超新星ZTF24abrfcqd/SN 2024aaqp!科学光谱
https://www.wis-tns.org/astronotes/astronote/2024-340
4.国家天文台-美国加州理工学院合作研讨会举办并签署合作协议
https://nao.cas.cn/news/ky/201710/t20171027_6407873.html
5.Palomar Observatory Produces New and Improved "Rainbows" for Astronomers
6.Historic Palomar Observatory upgraded with a state-of-the-art spectrograph-The Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics at Peking University (KIAA-PKU)