Subaru望遠鏡上的光纖定位系統測試成功

(中央研究院天文及天文物理研究所成果發表，上網時間：2020年3月10日)

Subaru望遠鏡上的新儀器「主焦點光譜儀」（Prime Focus Spectrograph，以下簡稱為PFS）正在朝完成目標，穩步進展中。主焦點光譜儀的關鍵元件之一的「光纖定位相機」(Metrology Camera)，現已裝設在望遠鏡底部，高精度的測量功能，日前已獲確認。

中研院天文所王祥宇研究員表示：「我們很高興光纖定位系統能夠成為PFS這個複雜的儀器中，第一個完成並且通過系統測試的子系統。它必須要能夠在小於0.5秒的時間內完成『超過2400目標、小於五微米』高精度的光纖位置量測，在技術上的難度是相當高的。光纖定位系統測試成功，代表了中研院天文所儀器團隊的研發能力受到國際團隊的肯定，也顯示我們在大型國際計畫中能夠扮演重要的角色，順利完成分配的任務。」

「主焦點光譜儀計畫」(PFS Project)由日本數物連攜宇宙研究機構(IPMU)科維理研究所主導，希望藉由研究宇宙遙遠物質的光譜，釐清暗物質和星系演化的本質。PFS光譜儀由幾個主要部件組成，裝置在Subaru望遠鏡的主焦點位置上（如圖一所示），共有將近2,400條光纖，同時收集來自許多星系和恆星的光。波長在380到1260奈米範圍內的光線將被分光儀分散成光譜。位在望遠鏡底部的光纖定位相機則是用來測量主焦點上的光纖位置。

圖１：圖示位於Subaru望遠鏡上的「主焦點光譜儀」的各個主要部件。

光纖定位相機是位於望遠鏡的卡塞格林焦點上，會拍攝望遠鏡頂端將近2400條光纖。

圖像版權：PFS Project

光纖定位相機，由中研院天文所負責開發。2018年4月，從臺灣運往夏威夷，隨後在它所預定安裝的位置上（即望遠鏡底部）進行初步功能確認。該年10月完成「針孔光罩系統」(pinhole mask system)，模擬人造光源，以準備進一步確認精密性的系列測試（圖2）。所謂針孔光罩，指的是在一塊玻璃上鍍上一層上打了許多小洞的金屬，每個小洞的位置都是非常精準（誤差四微米），而大小都是129微米寬。（圖3）

圖２：PFS光纖定位相機與工作成員合照。照片拍攝於2018年10月的光纖定位相機實際測試。照片正中央的黑色儀器就是由中研院天文所開發的光纖定位相機，相機當時已安裝於望遠鏡的底部。

圖像版權：PFS Project

圖３：在後方光源照亮下的「針孔光罩」。

圖中以黃框特別標示的區域裡有三個小方塊，方塊裡的針孔較為密集。

圖像版權：PFS Project

藉由第一階段測試，團隊發現分析資料的軟體，以及在高緯度且安裝於望遠鏡上等特殊環境條件下，光纖定位相機有些部分可以改善。改善工程完成後，在2019年8月再度進行測試，確認成功。(圖4、5)

圖４：此圖說明團隊用「半高寬」來確認針孔影像的大小與形狀（半高寬即 "Full width at half maximum"，縮寫為 FWHM，又稱「半峰全幅值」 ，即亮度下降到峰值一半的某點大小）。

左側上下二圖按光纖定位相機的CMOS感應器得到的針孔影像大小繪製，各點的大小以顏色深淺表現，深色較大，淺色較小，上圖代表X方向，下圖代表Y方向。

右側以直方圖表示整個檢測器中收集到的半高寬值的分布，上、下兩圖分别為X方向及Y方向的測量。可以看出右圖測量的分布高點，在X軸和Y軸方向上的值幾乎相同(2.5附近)。可知，視野中成像光點的品質一致而且形狀大致呈圓形。

圖５：此圖顯示針孔影像在一晚約8小時左右的觀測時間中，望遠鏡於不同仰角（以不同符號表示）及不同曝光時間（以不同顏色表示）下所對應的光點擾動值(Spot Motion)。該團隊在一個晚上的觀測時間內，取得了許多在不同曝光時間和不同望遠鏡仰角條件下的針孔影像，縱軸表示的是在一個條件下光點的擾動值。該團隊用同一條件下，50幅連續的影像來得到光點的擾動值（即光點位置的「方均根」: root mean square, 或簡稱 "RMS"）。圖中不同的顏色點代表不同的曝光時間（紅色0.5秒、橘色1秒、黃色2秒、綠色5秒），不同的符號代表不同的望遠鏡仰角。當曝光時間大於或等於一秒時，光點的擾動值都小於0.004釐米，可以符合PFS的要求。

目前光纖定位相機正等待其他部件運送抵達，以便繼續下一階段。其他部件包括：由美國加州理工學院負責的光纖定位系統、由中研院天文所負責的主焦點儀、巴西負責的光纖、法國研發的光譜儀。部分的光譜儀已運抵夏威夷望遠鏡站台並已重新組裝完成。合作團隊預計，主焦點光譜儀可於2022年完成。

名詞解說：

1. 什麼是「主焦點光譜儀」？

主焦點光譜儀，目前還在製作中，完成時，將會裝在口徑8.2米的Subaru望遠鏡的底部。Subaru 望遠鏡位於美國夏威夷毛納基峰山頂。主焦點光譜儀，會將來自星系或恆星等天體的光分為不同的波長，即大家所熟知的「光譜」，這能用來研究天體的一些細節，例如天體的運動。

主焦點光譜儀一次能收集將近2400個天體的光譜。構成主焦點光譜儀的子部件和子系統，各別在臺灣、巴西、法國、美國等地設計、組裝、測試後，再載運至Subaru望遠鏡所在地。預計2022年可開始科學觀測。

2. 主焦點光譜儀能應用於那些研究？

利用Subaru望遠鏡主鏡達口徑8.2米的特點，研究人員可以一次觀測大範圍的夜空。加上新一代超廣角相機，每一次的曝光都能取得大片夜空的清晰圖像，發現遙遠宇宙中的許多天體。而主焦點光譜儀則能快速取得天體的光譜（一次最多可觀測約2400個天體），並可測量恆星運動、測量星系距離，還有其他無法由影像獲知、僅能從光譜得到的訊息。

研究大量天體的光譜，我們能建造宇宙的普查資料庫，揭密暗物質、暗能量，以及星系的形成及演化。

3. 參與主焦點光譜儀計畫有哪些機構？

  • 日本東京大學數物連攜宇宙研究機構科維理研究所

  • 日本國立天文台Subaru望遠鏡

  • 中央研究院天文及天文物理研究所

  • 巴西國家天文物理實驗室

  • 巴西聖保羅大學天文研究所

  • 法國馬賽天文物理實驗室

  • 美國加州理工學院

  • 上海交通大學

  • 北京大學

  • 北京清華大學

  • 中國科學技術大學

  • 中國國家天文臺

  • 廈門大學

  • 美國太空總署噴射推進實驗室

  • 美國匹茲堡大學

  • 美國伊利諾大學香檳校

  • 美國約翰霍普金斯大學

  • 美國麻州大學阿默斯特分校

  • 美國康乃狄克大學

  • 美國普林斯頓大學

  • 美國塔夫茨大學

  • 美國哥倫比亞大學

  • 德國馬克斯·普朗克天文物理研究所

  • 德國馬克斯·普朗克地外物理學研究所

審校：王祥宇研究員、周瞿毅、周美吟博士

英譯中及網頁編輯：黃珞文

中央研究院天文及天文物理研究所科學成果發表： https://www.asiaa.sinica.edu.tw/news/sciencehighlight.php