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

原文連結

Successful engineering trial of Metrology Camera at Subaru Telescope (IPMU Kavli)

2018年4月27日

本所為 Subaru 望遠鏡量身特製「多光纖定位」相機運抵夏威夷 (英文版：Next generation of telescope equipment begins arriving in Hawaii)

Subaru望遠鏡上的光纖定位系統測試成功

名詞解說：

原文連結

相關文章

相關連結