2022年10月31日，由中國科學(xué)院上海天文臺（以下簡稱“上海天文臺”）研制的我國首臺基于漂移掃描CCD技術(shù)的短時標時域天文望遠鏡陣“南極天目”的原型機搭載中國第39次南極科考船前往南極。樣機抵達中山站后，在中國極地研究中心的大力支持和協(xié)助下，快捷順利地完成了設(shè)備安裝及調(diào)試。2023年2月20日開始正式觀測至10月26日觀測結(jié)束，在極夜期間獲得了大量觀測數(shù)據(jù)。對觀測圖像的初步分析結(jié)果表明，原型機曝光30秒的圖像中亮于9等恒星的測光精度可以達到千分之一星等。原型機在中山站連續(xù)進行了248天無故障觀測，標志著原型機設(shè)計思路合理可行，為后續(xù)建設(shè)南極天目望遠鏡陣列奠定了堅實基礎(chǔ)。
極光下的“南極天目”望遠鏡原型機
< 1 >
隨著技術(shù)的進步，當代天文學(xué)已經(jīng)從刻畫靜態(tài)宇宙發(fā)展到認識動態(tài)宇宙。通過長期多波段觀測揭示宇宙中各類天體的變化并發(fā)現(xiàn)和探索各類新天體、新現(xiàn)象，這就是天文學(xué)中新興的分支學(xué)科——時域天文學(xué)。在超新星（2011年諾貝爾物理學(xué)獎）、引力波事件（2017年諾貝爾物理學(xué)獎）、系外行星（2019年諾貝爾物理學(xué)獎）等方面，時域天文學(xué)已經(jīng)產(chǎn)出了一大批重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。未來10年至20年，時域天文學(xué)將成為天文學(xué)中引領(lǐng)性的、“金礦”型重大前沿領(lǐng)域。
當代時域天文學(xué)觀測研究期待能夠在小于1天的時間尺度上觀測到快速射電暴、引力波源、超新星爆發(fā)、高能中微子、伽瑪射線暴、Ia型超新星、恒星被大質(zhì)量黑洞潮汐瓦解、極亮X射線暴、耀星和典型新星等各類快速變化天象?；谶@類研究熱點，時域天文學(xué)巡天項目需要實現(xiàn)快周期、連續(xù)性的觀測，因此設(shè)備研制、觀測模式及觀測地點都需要與短時標時域天文學(xué)觀測特殊需求進行對標研究。
南極因其特殊的地理位置和環(huán)境，在短時標時域天文學(xué)觀測方面具有獨特優(yōu)勢。每年長達上百天的極夜，能夠開展連續(xù)觀測，有利于在第一時間捕捉到天體短時標快速變化和暫現(xiàn)源等極早期的天象。此外，南極夜天光背景暗、大氣透明度高、部分臺址晴夜數(shù)很高，是開展高精度測光觀測的理想地點。自2008年以來，我國天文學(xué)家已經(jīng)在南極開展了多次天文觀測和技術(shù)實驗，例如南極CSTAR望遠鏡，南極巡天望遠鏡（AST3）計劃、南極亮星巡天望遠鏡(BSST)等。
為充分利用南極在短時標時域天文學(xué)觀測方面的特殊優(yōu)勢，結(jié)合已有的技術(shù)儲備并充分考慮南極特殊的自然條件。上海天文臺提出了基于漂移掃描CCD技術(shù)的短時標時域天文觀測陣（簡稱“南極天目”）的計劃，實現(xiàn)巡天速度快、連續(xù)不間斷觀測、探測能力深的三個科學(xué)需求?！澳蠘O天目”項目計劃在南極地區(qū)布設(shè)由100臺小口徑大視場望遠鏡組成望遠鏡陣列，單個望遠鏡的視場約100平方度，可覆蓋地平高度30度以上1萬平方度的天區(qū)，在每年的極夜期間開展連續(xù)觀測，力爭在短時標時域天文學(xué)觀測研究領(lǐng)域率先取得重大突破。
“南極天目”原型機設(shè)計示意圖與照片
< 2 >
2019年至2021年間，在中國科學(xué)院天文大科學(xué)中心和上海天文臺重點培育項目的支持下，上海天文臺光學(xué)天文技術(shù)研究室望遠鏡研制團隊開展了南極天目原型機的研制。
設(shè)計思路是將望遠鏡系統(tǒng)所有設(shè)備放置在密封及隔熱性能優(yōu)良的可控溫圓頂內(nèi)，利用漂移掃描技術(shù)實現(xiàn)觀測，借助衛(wèi)星通訊實現(xiàn)上海控制端與南極設(shè)備端之間的信息傳輸。這樣的一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計思路具有顯著的技術(shù)創(chuàng)新性，整個系統(tǒng)無需驅(qū)動，無需拆裝，可整體運輸，安裝調(diào)試簡單便捷，快速就能開展觀測，不但能提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，同時也極大方便了在南極的調(diào)試與安裝?！霸撛蜋C是上海天文臺放置在南極的首個觀測設(shè)備，也是我國首臺基于漂移掃描CCD技術(shù)的南極天文觀測設(shè)備。”項目負責(zé)人、上海天文臺正高級工程師周丹表示，“該設(shè)備觀測技術(shù)獨特，環(huán)境適應(yīng)性強，自動化程度、可靠性、能源利用率都比較高，且研制和運行成本低。通過在中山站實際觀測調(diào)試和數(shù)據(jù)分析，可為未來分期布設(shè)望遠鏡陣，最終實現(xiàn)南極天目計劃提供重要參考依據(jù)?！?
本項目中，上海天文臺科研團隊將臺內(nèi)近20年持續(xù)攻關(guān)積累的漂移掃描CCD技術(shù)應(yīng)用于“南極天目”原型機的研發(fā)中。漂移掃描CCD技術(shù)利用電荷逐行轉(zhuǎn)移原理，通過控制轉(zhuǎn)移速度，實現(xiàn)望遠鏡靜止時電荷跟蹤運動目標的功能。漂移掃描CCD技術(shù)學(xué)術(shù)帶頭人正高級工程師于涌表示：“將這種技術(shù)應(yīng)用于一體式設(shè)計的望遠鏡，可以使望遠鏡在無需驅(qū)動機構(gòu)的情況下也能跟蹤天體，這顯著提高了整個系統(tǒng)的可靠性。同時，采用漂移掃描CCD可以對一條赤緯帶天區(qū)進行連續(xù)觀測，可顯著提升巡天效率?！?
2019年至2021年間，團隊開展了南極天目望遠鏡原型機的方案設(shè)計、軟硬件研制、安裝調(diào)試與測試等工作。2021年8月與11月在上海的低溫實驗室分別進行了兩次為期14天的原型機低溫測試（-60 ）并取得了重要數(shù)據(jù)。2021年9月至12月完成了望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)測試以及安裝調(diào)試。為了驗證設(shè)備在低溫環(huán)境下運行情況，2022年1月至3月將原型機運至內(nèi)蒙古海拉爾進行了為期兩個月的外場試觀測，期間夜間氣溫最低達到了-38 ，原型機工作穩(wěn)定，觀測到大量數(shù)據(jù)，并及時傳回上?？刂贫?。同時，當恒溫艙內(nèi)溫度降至5 （設(shè)備設(shè)定溫度）以下時，加熱系統(tǒng)就開始自動工作，維持艙內(nèi)溫度在5 左右。在內(nèi)蒙古的測試驗證了原型機性能和可靠性，具備前往南極參加科考試驗的能力。
疫情期間科研團隊進行夜間測光調(diào)試
科研團隊進行調(diào)焦實驗
在上海的低溫試驗室測試樣機
< 3 >
“南極天目”原型機于2022年10月31日搭載中國第39次南極科考船前往南極，2023年1月到中山站后順利開展了安裝及設(shè)備調(diào)試，2023年2月20開始正式觀測。傳回的觀測圖像質(zhì)量與實驗室測試數(shù)據(jù)一致，滿足預(yù)期要求。自3月初開始，團隊開展了漂移掃描觀測及測試，通過觀測數(shù)據(jù)分析表明，曝光30秒的情況下，亮于9等的恒星的測光精度可以達到千分之一星等。5月21日至7月15日南極中山站進入極夜，設(shè)備順利實現(xiàn)了每天24小時連續(xù)觀測測試。極夜過后，7月15日至10月26日期間，在天氣晴好的狀態(tài)下繼續(xù)開展觀測工作。10月26日后由于中山站地區(qū)逐漸進入極晝，已關(guān)閉設(shè)備等待開啟下一年觀測任務(wù)。
2022年10月底，“南極天目”原型機搭載第39次南極科考船前往中山站前，部分研究團隊成員合影
本觀測季累計獲取觀測圖像174,630幅，數(shù)據(jù)總量（含測試數(shù)據(jù)）3.35TB。原型機的安裝、調(diào)試過程順利。試觀測期間，設(shè)備經(jīng)受了最低氣溫-37.3攝氏度，最高風(fēng)速38.6米/秒的嚴峻挑戰(zhàn)，保持穩(wěn)定運行，觀測像質(zhì)優(yōu)異，體現(xiàn)了基于漂移掃描CCD技術(shù)的一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計思路在極地天文領(lǐng)域應(yīng)用的巨大優(yōu)勢，能夠有效克服南極嚴酷自然環(huán)境帶來的限制，同時也使得觀測設(shè)備具備在交通不便的極地環(huán)境中能夠方便安裝調(diào)試、快速開展觀測的能力。
上海天文臺端接收到的“南極天目”原型機觀測圖像，研究團隊進行了恒星認證
星象像質(zhì)測試，半高全寬（FWHM）分布在曝光10秒、30秒情況下，F(xiàn)WHM分布在1.2至2.5個像素之間，與實驗室測試數(shù)據(jù)保持一致。
不同曝光時間所拍攝的星的光變曲線精度。曝光30秒的情況下亮于9等的星的精度可以達到千分之一左右（x軸為V星等，y軸為光變曲線的RMS）
該項目技術(shù)負責(zé)人、上海天文臺工程師祝杰表示：“基于漂移掃描CCD技術(shù)的南極天目原型機已在極地環(huán)境中正常觀測超過半年，在觀測模式上進行了充分的測試，并在南極極夜期間持續(xù)獲得大量觀測圖像，沒有發(fā)生任何系統(tǒng)性的故障，顯示出良好的穩(wěn)定性和可靠性。這表明原型機的設(shè)計思路確實能夠有效解決長期以來嚴重影響南極天文望遠鏡經(jīng)常出現(xiàn)的故障和技術(shù)問題?！?
“南極天目”原型機是上海天文臺內(nèi)首個在自主部署項目的支持下順利研發(fā)并成功放置在南極的觀測設(shè)備，后續(xù)團隊將系統(tǒng)分析處理原型機觀測獲得的原始圖像數(shù)據(jù)，總結(jié)原型機試驗觀測的經(jīng)驗，進一步擴大觀測視場，優(yōu)化能耗分配，并在此基礎(chǔ)上，研制南極時域天文觀測陣的正樣設(shè)備，力爭分批布設(shè)在南極泰山站或者昆侖站，助力我國在短時標時域天文學(xué)觀測和研究領(lǐng)域取得重大成果。
科學(xué)聯(lián)系人：
祝杰，中國科學(xué)院上海天文臺，jzhu@shao.ac.cn
于涌，中國科學(xué)院上海天文臺，yuy@shao.ac.cn
周丹，中國科學(xué)院上海天文臺，dzhou@shao.ac.cn
