基于兴隆观测基地80厘米望远镜的CSST无缝光谱地面测试.pdf
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1、 .天 文 研 究 与 技 术 第 卷 第 期 年 月:./.基于兴隆观测基地 厘米望远镜的 无缝光谱地面测试邱晓晴 范 舟 宋轶晗 顾弘睿 姜海娇 李 静(.西华师范大学 四川 南充 .中国科学院国家天文台 北京.中国科学院大学 北京 .清华大学 北京)摘要:我国预计 年发射的巡天空间望远镜()主要用于开展大规模的多色成像与无缝光谱巡天工作 发射前需要利用地基望远镜对空间望远镜的光学成像系统、探测器 以及设备长时间运行稳定性进行地面测试 设计了兴隆观测基地 望远镜的无缝光谱地面测试 利用 型恒星、型恒星和沃尔夫拉叶星 的强吸收和发射线特征 拟合色散方程 并发现色散方程具有空间分布特征 对 的
2、 条数据的零级谱位置信息及色散方程系数进行了二次曲面拟合 并利用该曲面对 零级像位置范围内的 数据进行了波长定标 得到的 上 范围内的平均视向速度精度为 /关键词:无缝光谱 巡天空间望远镜 波长定标中图分类号:文献标识码:文章编号:()传统的长缝光谱是将单个目标源对准一个狭缝 目标源的光通过这个狭缝 并沿着垂直于狭缝的方向色散 得到该目标源的光谱 无缝光谱相较于传统的长缝光谱没有狭缝 光直接通过棱镜()或棱栅()得到包含给定区域内所有天体的光谱色散图 由于无缝光谱拍摄一次就能得到整个视场内所有天体的光谱信息 因此有着极高的光谱获取效率 适用于大面积巡天观测 但由于在无缝光谱学中 每个像素可以接
3、收任意波长的辐射 所以无缝光谱容易受杂散光的影响 导致定标困难无缝光谱最开始主要用于地基观测 世纪 年代 等在智利泛美天文台()的一架口径为 的施密特望远镜前加上了一块薄物端棱镜 用于发现类星体 使用这种方法发现的类星体的数目成倍增长无缝光谱虽然在地基观测中具有一定的价值 但在天基观测中效率更高 这是因为天基观测时的天光背景比地基观测时低许多量级 并且没有明亮且多变的大气吸收和发射成分 世纪 年代 哈勃太空望远镜()成功发射 其搭载的广角行星相机()、高级巡天相机()、宽视场相机()装备有棱栅或棱镜元件 可进行无缝光谱观测 其覆盖的波长范围从紫外到近红外 主要用于研究类星体、超新星等 近红外线
4、照相机和多目标光谱仪()配备了三个棱栅(和)光谱覆盖的波长范围在 之间 主要用于研究星系的演化 詹姆斯韦布空间望远镜()近红外成像仪和无缝光谱仪(基金项目:国家自然科学基金()四川省青年科技创新研究团队项目()和西华师范大学创新团队基金项目()资助.收稿日期:修订日期:作者简介:邱晓晴 女 硕士研究生 主要研究无缝光谱的地面测试.:.通信作者:范 舟 男 研究员 主要研究本星系群的多色测光及无缝光谱.:.期邱晓晴等:基于兴隆观测基地 厘米望远镜的 无缝光谱地面测试 )的宽场无缝光谱()模式能够在 视场范围内实现 之间的低分辨率()无缝光谱 主要研究星系的形成与演化以低天光背景和高空间分辨率为特
5、征的无缝光谱学已成为从太空研究星系演化的首选工具 预计它将在未来的任务中(如 和 等)大显身手中国巡天空间望远镜预计 年发射 主要用于开展大规模多色测光与无缝光谱巡天工作其科学目标之一是探索星系的起源与演化 在本项工作中 由于巡天空间望远镜无法通过切换直接成像的方法对无缝光谱进行定标 为解决巡天空间望远镜无缝光谱在轨定标困难的问题 本文利用兴隆观测基地的 望远镜 在地面进行无缝光谱观测 并建立定标模型 为在轨定标系统提供参考在测试中 我们利用一维光谱中强吸收线和发射线特征 用多项式方程拟合色散方程 并分析了方程系数在探测器不同位置上的分布特征 同时利用拟合残差计算视向速度的拟合精度 根据已知零
6、级谱数据的位置信息和色散方程系数 进行曲面拟合 建立定标模型 利用此方法得到 上小范围色散方程的定标精度 我们的工作将为巡天空间望远镜无缝光谱未来的数据处理过程及预期定标精度等提供重要参考 望远镜无缝光谱仪器简介清华国家天文台望远镜()是德国 公司制造的 卡塞格林望远镜 由清华大学与中国科学院共同建设 放置在位于河北省兴隆县境内燕山主峰南麓(地理坐标为东经 北纬 海拔约)的兴隆观测站 是系统焦比为/的赤道式卡塞格林反射镜 它由一个有效直径为 的抛物面主镜和一个有效直径为 的双曲面副镜组成 主镜焦比为/主焦点改正后焦比为/的指向系统速度较快且准确 最大回转速度高达每秒 在赤纬大于 时 指向精度优
7、于 没有导星跟踪时在 内的指向漂移小于 安装在 上的光学探测器是由普林斯顿仪器公司 制造的一个高性能的全画幅数码相机系统 它使用背照式科学级 成像阵列尺寸为 像素()该系统提供的视场为 空间分辨率约为 使用型号为 的 成像阵列尺寸为 像素()进行的科学项目是超新星的多色光度研究、活动星系核、伽马射线暴等为了测试无缝光谱系统 考虑到成像质量以及波长覆盖范围 我们使用兴隆观测基地 望远镜进行无缝光谱地面测试 巡天空间望远镜的 波段与 无缝光谱的零级像以及光谱像的 能量集中度半径平均在 以内 巡天空间望远镜的 波段波长覆盖范围在 而 的无缝光谱测试波长覆盖范围在 波长覆盖范围一致基于兴隆 的无缝光谱
8、观测方案见图 试验装置由带通滤光片、平面闪耀光栅和 相机 部分组成 滤光片和光栅安装于望远镜焦面前 实现无缝光谱观测 带通滤光片用于抑制带外光谱避免二级光谱重叠 探测器焦面的无缝光谱图像如图 零级像与光谱蓝端之间的光谱间隔为 光谱长度 设备的实物照片见图 选源和观测由于巡天空间望远镜上不会搭载特定的波长定标灯 而是利用合适的标准星来定标 因此 无缝光谱的地面测试也遵循该策略 棱栅的分辨率极大地限制合适的标准星的选择 标准星应满足以下条件:亮度合适 所需的曝光时间短 光谱包含较多易分辨的发射线或吸收线 不能选择位于密集星场的星 这是为了防止邻近天体的光谱污染 避免在定标数据处理时引入额外误差天
9、文研究与技术 卷图 望远镜无缝光谱设计()望远镜上无缝光谱仪器的整体结构()是()中无缝光谱仪器的放大图 .图 探测器上零级像和光谱像位置 图 无缝光谱系统与 相机的实物照片 选择不同的定标源 获取的特征谱线也不完全一样 传统的定标源是行星状星云()在光学波段下 其光谱主要是由窄而强的发射线主导 例如 行星状星云可以等同于地面的弧光定标灯 类星体()也是定标标准星的一种选择 因为它基本上在任何所需波长范围内具有发射特征(如 等)沃尔夫拉叶星(星)存在一系列的 发射线 可以满足定标要求 除此之外 型恒星因为存在较强的氢巴尔末线系 也可以作为定标标准星我们选择沃尔夫拉叶星 以及欧洲南方天文台标准星
10、表中的部分星作为波长定标的标准星 即观测目标源 这些源的基本信息见表 表 列出了目标源的赤经、赤纬、光谱型、波段星等、视向速度、红移、数据数量及定标时用到的谱线 例如 的光谱型是 波段星等为 标准星 的光谱型为 有较明显的氢巴尔末吸收线 便于拟合色散方程 期邱晓晴等:基于兴隆观测基地 厘米望远镜的 无缝光谱地面测试 表 观测目标源的信息 ()()/()()()我们采取的观测策略是至少在 的 个不同位置对每个目标源进行分光观测 以得到色散方程在 上随空间的变化 在实际观测过程中 可以通过目标在 上左右或者上下移动 得到一系列带有无缝光谱一级谱信息的色散图像基于 进行的 次无缝光谱地面测试分别是
11、年 月 日、年 月 日到 日和 年 月 日 测试的情况见表 第 次和第 次测试均使用 背照式科学级 相机 及美国 公司生产的高精度双层滤光片转轮系统 第 次测试使用的 型号是 使用 成像阵列()在 上测试前需先取掉滤光片 再安装无缝光谱系统 兴隆基地的大气和圆顶视宁度约为 观测的源多为较亮的标准星 每颗标准星的曝光时间为 和 而沃尔夫拉叶星 的曝光时间为 及 图 是观测得到的原始数据()是标准星 的色散图()是沃尔夫拉叶星 的色散图表 观测概况 /原始数据处理和光谱提取无缝光谱的前期观测等工作相对简单 但后期的数据处理是我们面临的主要挑战 目前比较流行的光谱数据处理软件(如 等)尚不能满足无缝
12、光谱数据处理的所有需求 是无缝光谱数据处理比较成熟的软件 但需要较为全面的仪器定标参数 这些参数在测试阶段还没有确定 所以无法用 处理我们测试得到的无缝光谱数据原始数据处理主要使用巡天空间望远镜无缝光谱团队自主研发的管线()完成 该管线主要使用()从无缝图像中提取单个目标的光谱 最终得到数据包含目标源天 文研究与技术 卷光谱在 上的位置坐标以及谱线值 基本步骤如下:()去背景()检测源()对目标源进行定位()抽取目标源谱线 最后存储结果 我们首先使用 提取色散图像的背景 将原始图像减去背景后可以得到一个除掉背景的色散图像 接下来我们使用包含质心坐标 椭圆的半长轴、半短轴和方位角等参数的椭圆模型
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