崔向群：創新引領中國天文光學儀器的發展

發布時間：2022-11-10 17:22 原文鏈接：崔向群：創新引領中國天文光學儀器的發展

紫金山天文臺一位老天文學家回憶說：上世紀50年代初，臺長張鈺哲先生考慮我國天文學發展規劃時強調“中國天文學的當務之急是培養人才和研制天文儀器”。回顧我國研制天文儀器的歷史，正是從上個世紀50年代開始的。

2012年，崔向群在北京第28屆IAU大會開幕式上。

1950年左右，楊世杰經過刻苦鉆研，在中國首先掌握了天文鏡面磨制技術，并于1956年在紫金山天文臺研制成我國第一臺望遠鏡——13厘米施密特望遠鏡。1958年南京天文儀器廠成立（1991年更名為中科院南京天文儀器研制中心，2001年整合為南京天文光學技術研究所和南京天文儀器公司），我國天文界開始組建專業天文儀器隊伍，從數十人發展到數百人，進入自主發展天文儀器的時代：1964年胡寧生設計研制成43厘米/60厘米我國第一臺人造衛星望遠鏡、1968年蘇定強領導研制成中國第一臺Lyot濾光器（雙折射濾光器）、1968年60厘米望遠鏡建成并安裝在興隆觀測站，隨后70年代至今我國研制的天文儀器主要有：

（1）光學天文儀器——光電等高儀、天頂筒、太陽色球光球望遠鏡、太陽塔、太陽光譜儀、日食光譜儀、太陽精細結構望遠鏡、太陽磁場望遠鏡、1.26米紅外望遠鏡、1.56米望遠鏡、2.16米望遠鏡、多通道太陽望遠鏡、低緯子午環，人造衛星激光測距儀系統、6米大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡LAMOST（郭守敬望遠鏡）、1米真空太陽望遠鏡NVST、太陽多波段爆發望遠鏡ONSET；1.2米近地天體望遠鏡、南極巡天望遠鏡CSTAR和AST3；

（2）射電天文儀器——氫原子鐘、小銫鐘，守時型銣噴泉鐘，基準型銫噴泉鐘、光學頻率原子鐘；密云多天線太陽射電干涉儀、米波綜合孔徑射電望遠鏡、13.7米毫米波射電望遠鏡、中國甚長基線干涉測量系統VLBI、65米射電望遠鏡（天馬）、明安圖射電頻譜日像儀MUSER、500米球面射電望遠鏡FAST（天眼）；

（3）空間天文儀器——暗物質探測衛星DAMPE（悟空）、硬X射線調制望遠鏡HXMT（慧眼）、太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛星“羲和號”，以及今年10月初發射的先進天基太陽天文臺ASO-S……一批地面光學、射電和空間天文儀器在研制或預研中。

我國天文界通過這短短60多年的前赴后繼和奮力拼搏，使我國的天文儀器經歷了從無到有，從小到大，從單一到各種觀測設備，從光學到射電，從地面到空間的全面發展，其中部分達到了世界先進甚至前沿的水平。迄今為止，我國的天文觀測主要是依靠自己研制的這些天文儀器。需要強調的是：這些天文儀器大多是在非常困難和艱苦的條件下，以及經費相對較少的情況下研制成的，并且有思想和技術方法上的創新。

本文介紹地面光學天文儀器。地面光學天文儀器不僅在我國發展得最早，創新也比較突出。天體測量儀器的代表是光電等高儀、人造衛星激光測距儀系統和低緯子午環；太陽物理觀測儀器最典型的是太陽磁場望遠鏡、太陽精細結構望遠鏡，1米真空太陽望遠鏡NVST；天體物理觀測儀器最突出的是2.16米望遠鏡和大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡LAMOST。

光電等高儀

1958年王綬琯和法國丹戎分別提出將光電記錄方法用于棱鏡等高儀觀測的建議，但蘇聯學者巴浦洛夫認為是非常困難的。1963年，北京天文臺李東明針對法國丹戎棱鏡等高儀存在的主要缺點，提出了應用對稱視柵光電方法來記錄等高儀中雙像星過等高圈時刻的原理的創新的等高儀方案。經南京天文儀器廠胡寧生創造性的設計，1971年光電等高儀研制成功。光電等高儀達到國際先進水平（觀測精度0.16角秒和極限星等11.3，均為國際上最高），為中國世界時系統的建立和發展做出了貢獻。光電等高儀的研制1978年獲得全國科學大會獎，觀測和研究結果獲1989年中科院自然科學一等獎。在李東明的主持下，光電等高儀1992年實現觀測全自動化，獲中科院科技進步二等獎。我國研制的數臺光電等高儀中的一臺，至今還在阿根廷工作。

II型光電等高儀。供圖／上海天文臺

太陽磁場望遠鏡

太陽磁場望遠鏡是北京天文臺艾國祥創新提出的太陽觀測儀器。主要特點是在Lyot濾光器上加電光晶體調制進行磁場測量，可以進行磁場的縱場和橫場的測量，并用太陽光球和色球兩條譜線進行雙層次磁場和速度場視頻測量。同時期的其他國際同類儀器都只用一條譜線，只能觀測到太陽光球的磁場狀態。太陽磁場望遠鏡的總體性能處于國際領先地位。這臺中國天文學家獨立發明和研制的天文儀器由北京天文臺艾國祥、胡岳風等與南京天文儀器廠等單位合作研制成功，是目前世界上最先進的太陽磁場觀測設備，于1988年獲國家科技進步一等獎。自1987年起，中國的太陽物理學家利用太陽磁場望遠鏡獲得了大量世界一流的太陽光球矢量磁場和色球磁場、速度場資料。這引起國際太陽物理學家的極大重視，認為該儀器為當代國際太陽物理研究的重要工具。太陽磁場望遠鏡為太陽物理的研究工作做出了很大的貢獻，其研究成果獲1994年中科院自然科學一等獎。

太陽磁場望遠鏡。供圖／國家天文臺懷柔觀測站

2.16米光學望遠鏡

2.16米望遠鏡1989年建成后到2008年是國內最大的光學天文望遠鏡，是我國天體物理觀測出了很多成果的儀器。不僅為我國天文學做出了突出的貢獻，還培養了一大批天文儀器和實測天體物理的專業人才。2.16米望遠鏡由中國科學院南京天文儀器研制中心、北京天文臺和自動化研究所合作研制的。這臺望遠鏡是一架能進行各種天文工作的通用望遠鏡，包含折軸系統和卡塞格林系統。蘇定強提出了一系列新的折軸系統，其中的一種成功地用于2.16米望遠鏡的光學系統中，使2.16米望遠鏡成為國際上第一架卡塞格林焦點與折軸焦點共用同一塊副鏡的望遠鏡，被美國天文學家亞丁·邁內爾（Aden Meinel）命名為SYZ中繼鏡折軸系統，這種折軸系統同時也形成了一種優秀的三鏡系統，將用在中國12米望遠鏡中。

2.16米光學系統中的卡塞格林焦點改正鏡的設計，象質顯著超過了當時國外的同類設計，是用蘇定強和王亞男在1972年發展的評價函數的算法編寫的國際上最早之一的光學自動優化設計程序設計的。此算法當時在國內被質疑，但90年代至今已在國際、國內普遍采用。由于這種評價函數的算法和計算機運算速度的提高，目前已經可以計算優化更多更好的天文望遠鏡光學系統。2.16米望遠鏡于1998年獲國家科技進步一等獎。

大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡LAMOST

LAMOST的基本思想是王綬琯提出做超大規模光譜觀測，改變國際上獲得有縫光譜的天體數目實在太少的狀態。為此，需要打破常規獲得一架大視場兼備大口徑的望遠鏡。蘇定強1986年提出用主動光學方法產生鏡面曲面形狀連續變化的常規光學不可能實現的光學系統，蘇文中的例子之一就是將一個Arecibo型望遠鏡的工作區（照明區）實時改變為拋物面或雙曲面，1994年他與王綬琯合作首先用在了LAMOST的方案上，創新地解決了大視場望遠鏡（反射施密特系統）口徑做不大的難題。具體是：LAMOST球面主鏡固定，由反射改正鏡跟蹤天體，觀測中通過主動光學將反射改正鏡連續地變形為一系列不同的非球面，實時校正天體光入射角的連續變化引起的不同的球差，相當于形成一系列不同參數的望遠鏡光學系統。這是與國際上用主動光學來僅維持大鏡面形狀的望遠鏡不同的。LAMOST中最難的是，主動變形鏡既是薄鏡面又是拼鏡面，且有兩塊大的拼接鏡面。崔向群帶領團隊攻克了這一前人沒有嘗試過的難題，實現了LAMOST的創新思想和方案，不僅掌握了，還進一步發展了大望遠鏡的核心關鍵技術——主動光學技術。

鳥瞰LAMOST。

需要說明的是：我國自主研制的世界上最大的單口徑射電望遠鏡“500米口徑球面射電望遠鏡”FAST，為了消除其望遠鏡系統（主反射面）的球差，減小饋源倉的尺寸和重量，1998年邱育海也提出了同樣的創新思想，即將鏡面（主反射面）照明區的300米口徑部分的面形實時主動連續變化為拋物面。這也是與所有采用了主動光學技術僅維持反射面形狀的射電望遠鏡不同的，特別是與美國305米射電望遠鏡Arecibo的不同之處。由此可見，我國的兩項大科學裝置LAMOST和FAST在國際上具有獨樹一幟的創新。

LAMOST最大的鏡面6.67米×6.05米，光經過的兩塊大鏡面后，整個工程規模相當于一架8米的望遠鏡。LAMOST的視場5度，焦面直徑1.75米（是至今最大的望遠鏡焦面）。LAMOST團隊創新發明了并行可控雙回轉臂機器人光纖定位新方法，可快速精確定位大焦面上的4000根光纖（目前的技術已可放1萬根以上），連接16臺光譜儀，每次觀測可獲得最多4000天體的光譜。LAMOST在視場、口徑、光纖數三項最重要的天體光譜巡天指標上均占據國際領先地位。2012年至今LAMOST已經獲得2000多萬天體的光譜，發表文章1000多篇，引用超過萬次，助力中國天文在銀河系結構與演化、恒星物理等研究領域走到了國際前沿。LAMOST的建成引起了國際天文界對超大規模光譜巡天的高度重視，多架4米-11米望遠鏡的大規模光譜巡天計劃已建成或在計劃中。其中已建成和在研制的幾個光譜巡天項目采用了LAMOST創新發明的光纖定位新方法。

呼吁盡快建造12米光學紅外望遠鏡

最近5年的諾貝爾物理學獎中有三次都是天文學獲獎，說明天文學越來越重要。天文學是以觀測為主的科學，2009年國際天文年是以紀念伽利略發明天文望遠鏡400年提出的，體現了天文儀器對現代天文學的重要性。近些年來，我國空間天文學上去了，FAST建成了，LAMOST取得了大量天文成果，天文學有了顯著的進步。但在我國光學天文方面，LAMOST是專用的光譜巡天望遠鏡，還非常需要大口徑的通用精測望遠鏡，而我國的兩架通用精測望遠鏡僅為2米級，與20世紀90年代到本世紀初，全世界建造的14架8-10米的望遠鏡，以及歐洲南方天文臺正在建造的一架39米、美國在建造的一架24.5米和一架30米的通用精測光學望遠鏡相比較，我們的差距是驚人的。這種狀態強烈地傷害著一個GDP為世界第二的大國形象，將嚴重地制約中國天文發展。我國天文學急需一架12米大口徑通用精測光學紅外望遠鏡已是天文界的共識。

12米光學紅外望遠鏡模型。

需要強調的是，中國天文光學儀器專家不是沒有能力建造12米望遠鏡，而是完全有能力的，因為通過LAMOST的成功已經發展了研制十幾米甚至更大的光學望遠鏡的技術。歐洲39米極大望遠鏡ELT的負責人和美國30米望遠鏡TMT的負責人看了LAMOST后，都曾表示他們認為中國已經具有獨立研制30米級極大望遠鏡的能力。12米望遠鏡的核心技術，即主鏡子鏡的磨制技術和主動光學拼接鏡面技術都已是我們的成熟技術并做好隨時開建的準備。