SALT 简介

作者：周霖时间：2023-03-22 点击数：

SALT 简介

SALT (South African Large Telescope) 是一个10 m级的光学望远镜，是南非天文台SAAO的望远镜之一。SALT的环境优异。SALT,位于架设在远离城市的灯光和污染的高原上的野外观测站，很少受到季节性的干扰。该地seeing很低。台址环境十分黑暗,大气条件通常十分干燥，seeing的平均数达到0.92 arcsec，有69%的夜晚seeing优于0.8"，风在大多数时间不会对seeing造成很重要的影响。Sutherland是地球上地震最为宁静的区域之一，在这里的望远镜很少受到地震的干扰。SALT是一个优秀的光学望远镜。其主镜由91块1米级的六边形球面分块反射镜组成，总共等效于一个直径11米的球形镜。其光学载荷主要有三个: SALTICAM, RSS和HRS。SALTICAM,一个高效的采集相机和科学成像光度计，覆盖和记录整个8 arcmin直径的科学视场，有两种模式: VI mode 和 ACSI mode，对应的分辨率为0.696 arcsec/pix 和0.143 arcsec/pix 。SALT可以用于光学成像,时域信号分析和光谱分析,是个功能强大的光学望远镜。SALT团队的研究方向也有很多跟活动星系、超新星残骸和星系动力学有关，在星系研究和对遥远天体的运动与成分分析领域保持相当的活跃度，为一流期刊提供了高质量的观测数据。最后，我觉得中国可以从SALT的建设和发展中吸收经验，发展壮大自己的天文学团队。

关键词：SALT，结构，台址环境，分辨率，SALTCAM，FOV，科学产出，优缺点

1 引言

1.1 SALT是什么

SALT[1]，South African Large Telescope,是位于南非天文台SAAO(South Africa astronomical observatory)[2]的望远镜。SALT是一个10 m级的光学望远镜，位于北普省Sutherland的野外观测站，可以用来成像和光谱分析。南非的SALT设计参考了美国得克萨斯州的HET(Hobby-Eberly Telescope)[3],但是每个子系统都吸取HET的经验进行重新设计。相比HET, SALT的两个最明显的的变化是SAC (reflective spherical aberration corrector)和可移动的主镜阵列。SALT是一个固定海拔的望远镜，因此用它进行观测比用大多数地面望远镜进行观测要复杂得多。SALT可以处理从Sutherland观测到的70%的天空，但是只能在特定的"机会窗口期"。虽然目标可能不总是处于可观测状态，但是由于一个物体在一年中的观测日期与更传统的相同，SALT可以发挥更大口径的优势得到更精细的数据[4]。截止目前，SALT主要用于星系和暂现源成分分析和恒星运动和元素丰度的研究。

1.2 SAAO

南非，位于非洲最南端，地震稀少，海拔较高，加上位于南半球，是进行天文观测的理想地点之一。在SALT建立之前，南非已经有了一个各国联合承办的天文台--SAAO。

最早的有关历史记录是1685年法国船只来到Cape修整并设立临时天文台解决星图问题。随后也有人在此地进行过一些观测活动。直到1820年10月20日，英国国王乔治四世授权英国海军部在好望角建立皇家天文台，以便为航行在好望角危险水域的船只提供精确的星辰位置。正是这个天文台形成了现在的SAAO，并以开普敦郊区天文台的名字命名。

SAAO在这个国家的其他地方也有根基。现在的南非天文台是1972年将位于开普敦的皇家天文台和位于约翰内斯堡的共和国天文台合并而成的。两个天文台的三个最先进的望远镜在Sutherland外的一个小高原上安家，那里天空漆黑，天气非常适合天文观测。SAAO还在比勒陀利亚采购了拉德克里夫天文台的望远镜(当时南半球最大的望远镜)，并于1974年安装在萨瑟兰(Sutherland)[2]。

SAAO台址是位于Karoo半荒漠的一块高原，海拔大约1800 m，是地球上地震最为宁静的区域之一，很少受到地震的干扰。

1.3 SAAO 台址环境

SALT的台址位于Sutherland的一个小高原，海拔1768 m。大气十分干燥，很少受到季节性的干扰，几乎不受城市光污染的影响。地震很少。SALT的50%时间可以进行光度测光，75%时间可以进行光谱分析[1]。

图 1: SALT 外部样貌, 详见[7] 图 2: SALT 冬季, 详见[8]

台址的总seeing平均值为1.32"。1974年文献记载：SAAO的69%的夜晚seeing优于0.8"。2000年测得平均的视宁度seeing为0.92"。随着技术进步和新仪器的投入，引入湿度和风速湍流的影响重新计算seeing，经过1年的数据采集，测到台址的总seeing平均值为1.32"。变差的主要原因的是风向与seeing有强关联性，部分时间的东南风带来糟糕的视宁度。风速和seeing弱相关，没有没有对seeing造成明显的影响[5]。

Sutherland的晴天数随月份而变化，但大致都保持在20左右。湿度随月份变化较大，1月湿度最大为79% ,6月最低为24%。风速变化较大，1月最小为4.7 mph, 6月最大为8.8 mph[6]。

2 整体构造

SALT望远镜建在SAAO附近。最明显的特征是SALT的巨大半球穹顶和旁边的"烟囱"--曲率校正中心。外部形状如图1和图2：

SALT的内部可以分成好几个板块，每个板块的结构和功能不一样。内部的示意图如图3。

图3：SALT内部结构示意图，详见[9]

SALT主要有以下几个部分组成：游客展厅(Vistor's gallery)，控制室与办公室(Control room and workshops)，光谱仪室(spectrometer room)，镜面涂层室(Mirror Coating room)，SALT主镜(Primary Mirror)，SALT构架(Structure)，跟踪装置(Tracker)，光学载荷(Optical Payload)，曲率传感器中心(Centre of Curvature sensor)与穹顶(dome)。其中穹顶其类似遮光罩的作用，天气适合观测时就启动移开。控制室和办公室是处理第一手数据的地方。游客展厅是向游客展览望远镜的成果的走廊，在做宣传和向青少年科普时经常用到。跟踪装置的功能是牵引确保光学载荷到达指定的位置，使得主镜反射的光线可以进入光学载荷经过球差矫正器到达内部的科学仪器。曲率校正中心是用于校正91个镜面并使之形成一个近乎完美的球面[4]。

图4：SALT主镜阵列，有91个六角形Astrositall单元组成，每个单元中心相距1.2m。以精度为15.7nm RMS曲率半径26.165米的精度成像[1]。

而最为重要的是它的主镜和光学载荷。

主镜由91块1米级的六边形球面分块反射镜组成，总共等效于一个直径11米的球形镜。铝被用做镜面的反射涂层并且每年至少更换一次。每个镜面都有支架和控制系统来操控，以确保优良的成像质量[4]。虽然和HET一样有观测天区和观测条件的限制，但是SALT在口径和精度方面确实是南半球最为精良的天文仪器之一。

光学载荷的体积不算很大，但是装载了最为重要的光学仪器，以来矫正纪录望远镜收集来的光。如图5主要是以下的几个器件：

Calibration System，矫正系统，主要用来矫正主镜带来的球差和色差

SALTICAM，光学成像系统；

Robert Stobie Spectrograph，光谱分析仪器；

Atmospheric Dispersion Compensator；Berkeley Visible Image Tube；Moving Baffle；Fold Mirrors；Slit Viewer Mirrors；Fibre Instrument Feed,etc。这些都是起辅助和修正光路的作用[4]

图5：SALT光学载荷组成图[10]

SAAO的官网上有VR演示,可以在线浏览SALT的内部情况，观察了解内部细节。使用方法：点击官网的explore now按钮，然后顺着地面上的橙色箭头点击即可切换不同场景，观察SALT内部的设施。而且这个VR可以支持观察SAAO其他望远镜，是一个快速游览望远镜台的好方式。

图6：Visual tour,网页截图[11]

图7（左）和图8（右），SALT的位置和地形

除了观测条件优良，SALT的位置也十分有利。SALT位于南半球，相对北方密集的天文台，南半球的观测数据更为稀少。再加上它10 m级的口径和付得起的使用权，SALT无疑对于天文学家有着巨大的吸引力。

SALT的理想工作环境条件如下：

1.温度范围:-5到20°C

2.稳定风速达60 km·h^−¹(~17m·s^−1)

3.相对湿度< 97%

另外，当风速到达75 km·h^-1温度范围超过理想范围5度(-10 到 25 度)时，望远镜以牺牲20%的性能为代价仍可继续工作。

这个位置有利有弊。总体利远大于弊。

该观测站位于南非的中西部。在南半球的盛行西风带的吹拂下，水汽在东侧凝结，干燥的大陆风向西侧的海洋吹去，因此这里云量很少，水汽条件十分干燥。加之高海拔的影响，附近人烟罕至，城市的光污染很少可以影响到这个观测站，视宁度平均很低，只有0.92 arcsec。而且这里离SAAO中心CapeTown只有100公里左右，人员和物资的补充相对非常简单。加上地震少和南半球的优势，这里是搭建大型天文台和天文望远镜的最好选址。实际上，SALT取得了相当高精度的成像和光谱。

缺点是太靠近南极，观测天区随地球自转有相当一部分重复，相对赤道附近的望远镜来说可观测目标偏少一点。

对比HET。SALT 0.92 arcsec的视宁度比HET 1.0 arcsec的视宁度要好，而且SALT改进了一些HET的缺点，可以通过自适应光学得到更好的数据，利用后发优势和区位优势抢占到属于自己的生态位。

2.1 光路设计

光路：星光-主镜-光学载荷仓(入口)--球面校正镜--fold mirror--光学成像仪(or光谱仪)。如图9。

FOV，如图10。最外围的圆圈是SALT的寻星视场，次外围的是SALT的科学视场，直径8 arcmin。内部方框部分是SALTCAM的视场。

图9：SALT的光路示意图[14]

图10：SALT视场示意图[16]

SALTCAM的分辨率随模式的选择而变化。两种模式(VI mode和ACSI mode)的分辨率不同，分别是0.696 arcsec/pix 和0.143 arcsec/pix [16]。

2.2 探测器

2.2.1 SALTCAM

该仪器被设想为一种多用途设备，作为一个高效的采集相机和科学成像光度计发挥作用。前置光学提供了聚焦缩小(从f/4.2到f/2)，允许匹配一个更合适的平板尺度和让整个8 arcmin直径的科学场和周围1 arcmin宽的制导环被成像到镶嵌的4K×4K探测器区域(即~10×10 arcmin的场)[15]。

SALTICAM有两种模式：

Verification Instrument (VI) mode:

该仪器将安装在“直通”校正好的主焦点上，当它完成时，主焦点成像光谱仪将位于此。仪器的光轴和望远镜的光轴共线。该仪器的主要部件包括一个包含8个滤光片的滤光片单元，一个百叶窗(孔径100 mm)，一个低温恒温器，CCD控制器和控制PC。

Acquisition Camera/Science Imager (ACSI) :

SALTICAM的光轴垂直与望远镜的光轴。仪器的主要部件包括列出的所有验证仪器，以及焦距转换光学。大部分机械硬件(除低温恒温器外)和VI模式不同[16]。

CCD:

选定的CCD探测器将包括2×1的E2V感光镶嵌版面(以前的马可尼),E2V包含2k×4k×15微米44-82芯片。每个芯片的成像面积是30.7×61.4mm²。

图11：SALTCAM的CCD量子效率[15]

这些设备的典型参数有：

读出噪声2.5 e^−/pix;

RMS的读出速度是20kpix/sec;

CTE: 99.9995%;

满井(full well):200ke^−/pix;

暗电流: 0.1 e^−/pix/hr(160K)。

这些仪器的设计波长范围为320-950 nm。[16]

2.2.2 RSS(THE ROBERT STOBIE SPECTROGRAPH)

前身是Prime Focus Imaging Spectrograph (PFIS)。后来为了缅怀Dr Robert S. Stobie, SALT的奠基人之一，将PFIS更名为RSS。

仪器功能包括:

1.波长覆盖范围从320 nm到900 nm，直到大气层导致的紫外线截止。

2.与VPHGs一起使用的清晰相机/探测器。

3.高速和同步模式可用，特别适用于时变偏振源的观测。

4.法布里-珀罗成像光谱在430-860 nm范围内使用三个标准元，在中分辨率和高分辨率的双模式下，提供R = 320-770、1250 - 1650和9000三个分辨率区间。

5.使用快速帧传输CCD，允许在所有观测模式下进行高速观测。

图12：RSS的光学镜片排布 [15]

图13（左）：安装在气动X-Y滑梯SALT主焦点上的SALTCAM VI[15]

图14（右）：SALTICAM ACSI,在实验室接收验收测试。[15]

CCD：

与SALTICAM使用相同的CCD。[15]

2.2.3 HRS (HIGH RESOLUTION SPECTROGRAPH)

HRS,全称：SALT高分辨率摄谱仪。

图15：HRS设想图[15]

SALT HRS是一个采用VPH光栅作为交叉分散机(cross dispersers),双光束(370-550nm,550-890nm)光线馈电，白光-紫外，échelle 的光谱仪。相机是全折射式。SALT HRS是一种高效的单目标光谱仪，使用成对的大口径光纤(350 µm and 500 µm;1.6 and 2.2 arcsec)。其中一根是用于源(恒星)，另一根用于背景(天空)。其中三对在传输信号到光谱仪之前先提供给图像切片器。不同光纤对应不同的分辨率:R ~14000(未切片的500 µm光纤)、~40000(切片的500 µm光纤)和~65000(切片的350 µm光纤)。一个单独的2k x 4k CCD捕捉所有的蓝色信号，而一个4k x 4k使用条纹抑制深度损耗CCD的探测器，用于红色部分。完整的自由光谱范围被其覆盖。[18]

2.3 科学产出

SALT有大口径的主镜和优秀的光学成像和光谱仪，适合观测南半球的暗弱天体并分析他们的元素丰度。SALT的研究方向也有很多跟活动星系，超新星残骸和星系动力学有关。以下以2021的学术年会部分研究来举例。

2.3.1 SALT observes a type Iax supernova that bridges the luminosity gap of the class

图16：在最大光照前 1.7d 观测到的SN 2019muj RSS光谱 (或者爆炸后的8.5天; 灰色)，红色是基于低光度纯爆燃模型，蓝色是TARDIS 根据之前样本的模拟结果。紫色的残差显示了两个合成光谱的不同。垂直线表示[C II]线吸收的极小值[4]。

SNe lax是由CO白矮星热核爆炸产生的超新星。单次爆炸模型，如纯爆燃，是否可以解释观察到的各种现象的多样性，仍是一个悬而未决的问题。目前只有大约70颗SNe lax被观测到，而这些都太弱了无法进行follow up。SN 2019muj是第一个中的亮度的SN lax,弥补了这个光度差距的同时有覆盖率良好的前极大期，详细的光谱follow up和一个相对良好的限制距离。由于SN 2019muj的独特性，详细的光谱follow up是由几个合作机构和天文台发起。除了Las Campanas observatory, Las Cumbres Observatory和ESO NTT, SALT也参与其中，提供5个爆炸后8到60天光谱。RSS提供了3500A到9300A的高质量的数据，并由TARDIS合成代码得到拟合结果。拟合的目的是测试先前先前限制了化学丰度的SNe lax结构，并对其物理性质进行了估计。SN2019muj与其他的SNe数据对比，与较亮的SN表现出较好的匹配[4]。

2.3.2 Rotation curves and scaling relations of super- spiral galaxies

图17：一个恒星质量超过10倍银河系，恒星盘超过5倍银河系的超级螺旋星系的例子。左：是复合g-r-z滤镜下的星系图像。右：Hα发射线的SALT数据(灰色)，表现星系的旋转速度达到 450km/s。最佳拟合运动学模型由红色等高线表示，旋转曲线以黄色的点表示[4]。

超发光螺旋星系是一种极端和罕见的圆盘星系，拥有巨大的恒星形成盘，通常恒星质量超过10倍银河。类似质量的系统通常是椭圆的。了解这些星系我们可以得到星系如何聚集它们质量，形成恒星的珍贵信息。高分辨率和高效率的SALT/RSS让他们可以在一个合理的积分时间内观察到这些星系。根据这些新的SALT数据，得到准确的旋转曲线和Tully-Fisher关系。Tully-Fisher和Fall的常规关系的结果表明罕见的巨大螺旋星系是小质量星盘的放大版本，这意味它一定有非常相似的进化史。超螺旋星系必须具备某种方式避免了重大合并和AGN反馈等破坏性事件，让它们继续通过长期的演化和微小的合并聚集形成它们的恒星质量[4]。

利用SALT的优良数据和外国组织联合进行学术研究，尤其是星系动力学元素丰度分析，检验极端的星系模型方面，是SALT的主流。2021学术报告的许多内容都是利用SALT的高精度光谱数据跟其他天文台的数据相补充，对特殊星系、活动星系核或者特殊恒星进行动力学分析，得到红移速度等物理量并检验相关的物理模型。可以肯定的是，SALT在星系研究和对遥远天体的运动与成分分析领域保持相当的活跃度，和许多天文台达成合作一起分析得到的高质量数据。某种程度上,SALT为一流期刊提供了高质量的观测数据，在众多的光学望远镜中占据属于自己的独特生态位。

在可以预见的将来，这个年代稍微久远的望远镜还会继续在年轻的研究领域大放光彩。随着装备的升级，人力资源的补充，SAAO(SALT)将是研究暂现源，星系等遥远天体的学者的重要合作对象。

2.4 优缺点

这个望远镜的优点很多：

首先是他巨大的10米级口径。虽然最近10年又新建了许多十几、二十米级的地基望远镜，但是不可否认的是，他仍可以提供相当高精度的光学成像和高质量的光谱。然后是它的补给相对比较简单，人员和设备的更换与保养相比我国西北西南更简单，而且气象条件更好。另外，南非与传统的西方国家的关系更好，采购更为先进的光学仪器相比中国的限制小得多，人员合作往来方面也是，不受西方的明显排挤。

缺点也很明显，主要是经费不充足和人员的问题。南非是个发展中国家，本身经济实力很难让天文学得到充足经费，加上种族隔离政策等政治问题的干扰，提供的经费不足以支持其发展和补充。还有人员问题。虽然有本地大学，但是许多人员都坚持不下来。外国的工作人员比例相对偏高，团队内部也有一定的歧视问题。还有一些设计上的瑕疵，比如说望远镜的活动范围有限，不能追踪所有地平线上的目标；内部许多棱镜增加光子的损耗；经费限制没有能采用最先进精密的光学仪器等。这里就不做展开了。

3 改进

受限于设计，SALT的观测范围不广。可以和其他望远镜尤其是本地的望远镜进行联合观测，虽然精度可能会下降一些，但是可以获得更大的视野。

增加经费。升级更好的CCD设备提升观测数据的准确度;提升温度调节器的性能提高抗环境干扰的能力将环境噪声(比如风噪)降到最低。升级自适应系统，得到更好的光学成像系统，提高对环境干扰的抵抗能力，得到更好的光学成像;升级计算机，提高数据处理的速度；招募专业人员进行程序设计处理第一手数据。

4 收获

虽然SALT是个20年前的望远镜，但是它依然做到许多当前国内都做不到的事情，这个是值得我们深思和学习的。首先是以相对有限的预算实现了当时10米级最先进的望远镜的搭建和调整。然后是南非在搭建这个SALT时天文学界和政治家的同心协力。还有SAAO和外国专家合作了20余年，对国际天文学界的合作经验十分丰富。

这些是我们需要学习和借鉴的。

参考文献

[1]David Buckley, et al; The Southern African Large Telescope project,[J]; TRACING THE ANCESTRY OF GALAXIES (ON THE LAND OF OUR ANCESTORS) ,2011,108-111

DOI: 10.1017/S1743921306000202

[2]SAAO: https://www.saao.ac.za/

[3]HET: https://hydra.as.utexas.edu/?a=help&h=1

[4]SALT: https://www.salt.ac.za/telescope/

[5]L. Catala,S. M. Crawford; Optical turbulence characterization at the SAAO Sutherland site[J]; Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,2013,August;

DOI: 10.1093/mnras/stt1602

[6]https://www.weather-us.com/en/utah-usa/sutherland-climate#humidity_relative

[7]https://www.thenakedscientists.com/articles/interviews/southern-african-large-telescope

[8]https://gonanatravel.com/activities/salt-observatory/

[9]https://www.physics.rutgers.edu/ast/ast-salt.html

[10] https://www.slideserve.com/Gideon/het-salt-type-telescopes

[11] VR: https://www.saao.ac.za/saao-vr-tour/tour.html

[12] 必应地图：https://cn.bing.com/maps

[13] 卫星地图：http://www.wxno.com/

[14]https://www.researchgate.net/figure/Optical-layout-of-SALT-At-right-is-shown-the-primary-mirror-and-top-end-optics-and_fig6_237636235

[15] D. A. H. Buckley, et al; Status of the Southern African Large Telescope (SALT) First-Generation Instruments[J]; PROCEEDINGS OF THE SOCIETY OF PHOTO-OPTICAL INSTRUMENTATION ENGINEERS (SPIE),2006,卷6269,页A2690-A2690

DOI:10.1117/12.673838

[16] Darragh O’Donoghue, et al; SALTICAM: A 0.5M$ acquisition camera: Every big telescope should have one[J]; PROCEEDINGS OF THE SOCIETY OF PHOTO-OPTICAL INSTRUMENTATION ENGINEERS (SPIE),2003,卷4841,页465-476

DOI:10.1117/12.460772

[17]David Buckley; SALT First Generation Instruments[R]; Astronomical Society of the Pacific Conference Series,2005,卷329,页273-279

[18]salt:astronomers https://astronomers.salt.ac.za/

作者简介：周霖，华中科技大学物理学院本科四年级学生

编校：张华年

文章编号: 华中大天文230322A