昴星团望远镜简介

Subaru Telescope（亦称昴星团望远镜）是日本国家天文台在美国夏威夷建造的8.2米口径光学红外望远镜，于1991年4月开始建造，1999年1月正式开始进行科学观测，以著名的疏散星团--昴星团命名。其主镜曾是世界上最大的单片主镜，与其他8～10米光学红外望远镜相比，大视场主焦点相机HSC是它的优势。天文学家建造昴星团望远镜的初衷是继续探索宇宙，传承人类古往今来的梦想。他们正在用它来观测第一代星系的形成从而在宇宙起源中翻开新的一页；正在研究其他行星系统以探究生命的起源......

   

图1 Subaru Telescope外观^[1]（详情见https://www.naoj.org/en/about/）

Subaru望远镜位于美国夏威夷的莫纳克亚山（Mauna Kea）山顶上。夏威夷与任何其他陆地都隔绝，人口密度低，很少有城市污染的天空，拥有优越的自然观测条件。而莫纳克亚山是一座死火山，海拔高度4207米，山体高度达10200米，是世界上山体最高的山峰，高海拔降低了水汽、红外、大气湍流点影响，盾状火山的特性使得陆路运输极为方便。此外，Maunakea的气压仅为海平面的三分之二，云层通常在山顶下方形成，其中反转层阻止云层上升到山顶，山顶的位置在40%的大气和90%的水蒸气之上，因此有着格外清楚的星空影像。不仅如此，山顶上还很少有云雾缭绕，山峰位于逆温层之上，一年中大约有300个晴朗的夜晚，北纬20度的低纬度，几乎可以看到近南北半球的天空，是世界上最好的天文观测站点之一。其位置和气候条件如表1所示：

表1 台址环境^[1]（数据源于Subaru Telescope website）

Subaru望远镜采用地平式机架，高约22.2m，重约555t（吨）。望远镜主要光学结构由主镜和三个次镜组成，主镜和每个次镜都构成一个RC系统（图2）。主镜有效直径为8.2m，焦比为F/1.83，焦距15m，FOV为34'×27'。采用了薄镜面技术，厚度只有20cm。为了防止Subaru望远镜大而薄的主镜在自身重量下翘曲，安装了主动光学和自适应光学系统，由261个计算机控制的促动器对镜面进行持续校正，可确保望远镜始终可以在理想条件下在任何方向上观测。次镜1和2分别用于卡焦的光学和红外波段仪器，系统焦比F/12.2，FOV为6'；次镜3用于两个耐焦的光学和红外波段观测，系统焦比分别为F/12.7和F/13.6，FOV为3.5'。

表2  Subaru望远镜主镜相关参数^[1]（详情见https://www.naoj.org/en/about/）

                           

图2  RC系统光路图^[2]

（Tamasflex，详情见https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ritchey-Chr%C3%A9tien.png）

Subaru望远镜共有四个观测焦点，分别是（如图2）：

1、宽视场主焦点

视场：30角分；焦比：F/2.0

2、卡塞格林焦点

视场：6角分；焦比：F/12.2

3、可见光耐斯密斯焦点

视场：4角分；焦比：F/12.6

4、红外耐斯密斯焦点

视场：6角分；焦比：F/13.6

                           

图3  Subaru望远镜观测焦点^[1](详情见Subaru Telescope website. © MBTA Corporation Japan #150132)

仪器对接收的光线执行不同的功能：相机捕捉物体的图像，显示其结构和亮度；光谱仪将物体的光传播到其组成颜色中，以指示其温度、化学成分和运动等特征；红外仪器配备了传感器，可以穿透太空尘土飞扬的区域，例如恒星形成区域，并检测行星或宇宙早期存在的物体。仪器可以仅作为相机或光谱仪运行，或两者兼而有之。Subaru望远镜目前正在使用的终端仪器有七个，分别是：

1、主焦点

1）超广角主焦点相机（HSC） 

由116块高灵敏CCD拼接而成，总像素数超过8700万，提供了相当于9倍满月大小的超广域视角，可进行各种天体目标巡天观测。

                           

图4 HSC拍摄的M31图像^[1]

（详情见Image of M31 Heralds the Dawn of HSC's Productivity (July 30, 2013) from Subaru Telescope website，Credit: HSC Project / NAOJ）

2、卡塞格林焦点

1）多目标红外相机和光谱仪（MOIRCS）

在0.9至2.5µm波段提供宽视场成像和长狭缝/多目标光谱功能。结合了广阔的视野和同时捕获约40个物体光谱的能力。最显著的特点的多物体光谱学，允许研究人员在一次观测中获得大量物体的红外光谱。FOV为3.9'×6.9'，空间分辨率为0.117''。不同模式下的光谱分辨率分别是：Low (R~400)、Medium (R~1300)、High (R~3000)。具体参数如表3所示：

表3 MOIRCS仪器参数（详情见[3][4]）

2）暗弱目标相机和光谱仪（FOCAS）

专为对暗弱天体进行高灵敏光学观测而设计的多功能科学仪器，包括光学天文学的所有基本模式：成像、光谱学和偏振成像。它的多天体光谱仪可以同时观测大约50个天体的光谱，使天文学家能够确定遥远星系中非常微弱天体的距离和详细的物理关系（例如化学成分、质量、恒星数量）。它生成的数据有助于理解宇宙的起源和进化。具有光学成像和中低分辨率多目标光谱观测的能力，可以对暗弱天体目标进行宽带和窄带成像、光谱测量、成像偏振测量和光谱偏振测量。具体参数如表4所示。

表4 FOCAS仪器参数（详情见[5][6]）

3）制冷中红外相机和光谱仪（COMICS）

提供7.5至25µm的中红外波段的成像和光谱测量功能，它可以检测在太空中发射强烈辐射的温暖尘埃，而在光学波长中看不到。光谱分辨率为250-10000（N波段）、2500（Q波段）。具体参数如表5所示。

表5 COMICS仪器参数（详情见[7][8]）

3、可见光耐斯密斯焦点

1）高色散光谱仪（HDS）

HDS的光谱分辨率极高，能够将光分为多达10万种不同的颜色并同时观察它们，以其在光谱学中的高分辨率而闻名，其光谱分辨率为100000，最高可达160000。HDS在测量光谱以表明系外行星的存在以及评估宇宙开始时形成的非常古老的恒星中的元素丰度方面发挥着积极作用红外耐斯密斯焦点。具体参数如表6所示。

表6 HDS仪器参数（详情见[9][10]）

2）188单元自适应光学系统（AO188）

校正大气湍流获取高分辨率图像。光谱覆盖0.9-5.3&mu;m，FOV为2.7'，焦比F/13.9，NGS星等为-1<R<16.5，TTGS星等为R<18。

                           

图5 左：AO-OFF, FWHM 0.33 arcsec 右：AO-ON, FWHM 0.073 arcsec^[1]

（详情见Scientific Results (December 2000) Adaptive Optics First Light ! from Subaru Telescope website）

3）红外相机和光谱仪（IRCS）

可以捕获1-5微米波长范围内的图像或光谱，相机模式下，可以在1-5微米范围内高效成像；光谱模式下，提供了相对较高的光谱分辨率，可以分散光线，以便对物体的运动或化学成分进行精细到广泛的测量。其多功能性特别适合研究各种天体，例如恒星形成区，褐矮星，星系等。具体参数如表7所示：

表7 IRCS仪器参数（详情见[11][12]）

	Camera		Spectrograph
探测器	ALADDIN III 10242 InSb array
Pixel size	27 μm
Pixel scale	w/o AO	High (20 mas): 20.42+/-0.07 mas Low (52 mas): 52.42+/-0.07 mas		54.57 x 67.75 mas  (slit-length direction x slit-width direction)
	w AO	High (20 mas): 20.57+/-0.04 mas Low (52 mas): 52.77+/-0.04 mas		54.93 x 68.20 mas (slit-length direction x slit-width direction)
FOV	w/o AO	High (20 mas): 20.91"2 Low (52 mas): 53.68"2		3.5-9.4'' (in slit-length direction)
	w AO	High (20 mas): 21.06"2 Low (52mas): 54.04"2
增益	5.6e-/ADU			3.8e-/ADU
暗流	0.1e-/s			0.05e-/s
读取噪声	43e-rms			68e-rms

                           

图6 各仪器观测波段与分辨率^[1](详情见http://www.naoj.org/Observing/Instruments/)

                           

图7 各仪器观测波段与FOV^[1](详情见http://www.naoj.org/Observing/Instruments/)

除了台址巨佳，Subaru望远镜还有不少特点：

1、8.2米主镜让Subaru望远镜成为世界上最大的单一镜片光学望远镜，由于镜片的厚度非常薄，所以它的形状可以做修正及调整。8.2米的有效口径让它拥有较强的集光能力；

2、表面精度为0.014微米，误差较小；

3、使用261个促动器的有源光学技术不断校正，确保望远镜始终可以在理想条件下在任何方向进行观测；

4、由四个焦点组成的阵列使望远镜能够满足广泛的观测需求；

5、望远镜的圆顶采用了圆柱形，高约43米，直径40米，并在顶部安装有风扇，以改善空气流动情况。圆顶的设计保护望远镜免受沿地球表面的气流和恒星图像的大气干扰的影响。

作为一架通用型的望远镜，昴星团望远镜可观测距离地球131亿光年的天体，开展广泛的科学研究。建成至今，Subaru望远镜已在星系的演化与形成、银河系研究等众多领域取得突破性进展，为人类对宇宙的认知做出了巨大贡献，主要有以下几点：

1、太阳系^[13][14]

由于其宽广的视野能力和集光能力，Subaru望远镜揭示了太阳系中小天体的分布。它的各种仪器帮助天文学家研究太阳系物体的组成，从而进一步了解太阳系的历史。Subaru望远镜在打开早期太阳系的&ldquo;time-capsule&rdquo;方面发挥了积极作用。

2、恒星和行星系统的诞生^[15][16]

Subaru望远镜的高分辨率红外能力揭示恒星是如何产生的。研究人员成功地拍摄了太阳系外的行星以及行星的发源地- -由尘埃和气体制成的圆盘。这些发现有助于我们了解太阳系外行星的多样性和普遍性。

                           

图8 Star-forming Region S106 IRS4^[18]

（详情见Subaru Telescope, National Astronomical Observatory of Japan

Copyright&copy; 2001 National Astronomical Observatory of Japan, all rights reserved）

3、近邻宇宙^[17][18]

Subaru望远镜拍摄到了Andromeda Galaxy（M31），同时在整个图像中保持清晰的分辨率。这些观测为我们提供了不少有价值的信息，如像银河系这样的螺旋星系是如何形成的；由于主焦点的广域成像能力，Subaru发现了一个破纪录的微弱矮星系。揭示了卫星星系的结构及其恒星的性质。天文学家获得了附近大型螺旋星系M81的深层全景图像，并成功追踪了恒星在M81及其邻近星系周围的分布。用Subaru处理&ldquo;银河考古学&rdquo;，以了解大型星系及其邻近卫星星系的形成和演变；用Subaru高色散光谱仪(HDS) 进行高分辨率光谱观测，天文学家发现了由氢和从第一代恒星爆炸中喷射出来的元素组成的第二代恒星，它们的质量是太阳的十倍到百倍。这些结果对于了解早期宇宙中大质量恒星和非常大质量恒星的核合成和进化都至关重要。

4、星系世界^[19][20]

星系是宇宙中最基本的组成单元，通常由数十亿颗恒星聚集而成，因此有着不同的质量、形态、年龄、恒星形成率等等。通常，星系中心都有超大质量黑洞，并且星系和超大质量黑洞之间存在共同演化。凭借其广阔的视野和光收集能力，Subaru望远镜考察了不同时代和环境中的星系世界。

5、宇宙中的能量现象^[21][22]

新星、超新星和伽马射线爆发是宇宙中常见的能量剧烈释放现象，通常伴随着剧烈爆炸过程。这些爆炸现象被认为在宇宙中产生重元素方面发挥着重要作用。他们的研究使我们更深入地了解宇宙中物质的进化。天文学家利用Subaru望远镜的独特能力，一直在该领域进行尖端研究。例如，Subaru的广域相机能够发现宇宙中的爆炸。对此类爆炸现象的详细观察为我们研究该现象的物理机制有着重要作用。

6、遥远的宇宙^[23][24][25]

对非常遥远的物体的观察实际上是对过去该物体的观察。宇宙的诞生发生在138亿年前。Subaru望远镜在130亿光年外发现了无数遥远的星系，并多次打破了有史以来观测到的最遥远星系的世界纪录。

7、暗物质和宇宙学^[26][27]

宇宙学是对宇宙结构、起源和形成的研究。由于主焦点的广域成像能力，Subaru望远镜为观测宇宙学做出了重要和持续的贡献。例如科学家使用Subaru广泛和深度数据揭示了暗物质的分布。宇宙的膨胀率是从遥远的la型超新星宇宙&ldquo;信beacon&rdquo;测量的，验证了膨胀宇宙的加速度。

尽管Subaru望远镜有不少优点和科学产出，但还是有需要改进但地方。相对于空间望远镜来说，其细节分辨率不够高，如图9，两个天体被Subaru识别为单个天体，对研究对影响较大。此外，望远镜本身的辐射比其他所有来源的辐射都要强很多，应最小化望远镜本身的辐射等。

可以适当增加物镜数值孔径来提高分辨率，光圈越大，分辨率越高，也可以通过增大光圈来提高分辨率。让仪器在低温下工作，用光阑把剩下的热辐射尽量排除在天体的光路外。

                           

图9 对于同一天区，左图是在Subaru的图像；右图是哈勃的图像^[28]

参考文献：

[1]Subaru(En)https://subarutelescope.org/en/，Subaru(Jp)https://subarutelescope.org/jp/

[2]RC系统https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ritchey-Chr%C3%A9tien.png

[3]MOIRCS仪器参数https://www.naoj.org/Observing/Instruments/MOIRCS/inst_parameters.html

[4]MOIRCS仪器https://www.naoj.org/en/about/instrument/moircs/index.html

[5]FOCAS仪器参数https://www.naoj.org/Observing/Instruments/FOCAS/parameters.html

[6]FOCAS仪器https://subarutelescope.org/en/about/instrument/focas/index.html

[7]COMICS仪器参数https://www.naoj.org/Observing/Instruments/COMICS/parameters.html

[8]COMICS仪器https://www.naoj.org/en/about/instrument/comics/index.html

[9]HDS仪器参数https://www.naoj.org/Observing/Instruments/HDS/parameters.html

[10]HDS仪器https://www.naoj.org/en/about/instrument/hds/index.html

[11]IRCS仪器参数https://www.naoj.org/Observing/Instruments/IRCS/parameters.html

[12]IRCS仪器https://subarutelescope.org/en/about/instrument/ircs/index.html

[13]Bolton, Scott J., et al. "Microwave observations reveal the deep extent and structure of Jupiter&rsquo;s atmospheric vortices." Science 374.6570 (2021): 968-972.

[14]Nakamura, Ryosuke, et al. "Subaru infrared spectroscopy of the Pluto&ndash;Charon system." Publications of the Astronomical Society of Japan 52.4 (2000): 551-556.

[15]Hashimoto, Jun, et al. "Polarimetric imaging of large cavity structures in the pre-transitional protoplanetary disk around PDS 70: Observations of the disk." The Astrophysical Journal Letters 758.1 (2012): L19.

[16]Dong, Ruobing, et al. "The structure of pre-transitional protoplanetary disks. I. Radiative transfer modeling of the disk+ cavity in the PDS 70 system." The Astrophysical Journal 760.2 (2012): 111.

[17]Hayashi, Masao, et al. "A starbursting proto-cluster in making associated with a radio galaxy at z= 2.53 discovered by h&alpha; imaging." The Astrophysical Journal 757.1 (2012): 15.

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[19]Mart&iacute;nez-Delgado, David, et al. "Dwarfs gobbling dwarfs: a stellar tidal stream around NGC 4449 and hierarchical galaxy formation on small scales." The Astrophysical journal letters 748.2 (2012): L24.

[20]Imanishi, Masatoshi, and Yuriko Saito. "SUBARU ADAPTIVE-OPTICS HIGH-SPATIAL-RESOLUTION INFRARED K-AND L&prime;-BAND IMAGING SEARCH FOR DEEPLY BURIED DUAL AGNs IN MERGING GALAXIES." The Astrophysical Journal 780.1 (2013): 106.

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[26]Miyazaki, Satoshi, et al. "Properties of weak lensing clusters detected on hyper suprime-cam's 2.3 deg2 field." The Astrophysical Journal 807.1 (2015): 22.

[27]Koda, Jin, et al. "Approximately a thousand ultra-diffuse galaxies in the Coma cluster." The Astrophysical Journal Letters 807.1 (2015): L2.

[28]Dawson, William A., et al. "The ellipticity distribution of ambiguously blended objects." The Astrophysical Journal 816.1 (2015): 11.

[29]百度百科

https://baike.baidu.com/item/%E6%96%AF%E5%B7%B4%E9%B2%81%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C/15439609?fr=aladdin

[30]百度百科

https://baike.baidu.com/item/%E5%86%92%E7%BA%B3%E5%87%AF%E9%98%BF%E7%81%AB%E5%B1%B1/4436688?fr=aladdin

[31]中国大百科全书https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=533532&Type=bkzyb&SubID=227824

作者：刘佳炘 华中科技大学天文学系博士研究生一年级

编校：张华年

文章编号：华中大天文230403A