时域巡天望远镜如何给星空“拍照”
◎本报记者 张 蕴
日前，墨子巡天望远镜成功发布仙女座星系图片，在网络上引发了广泛关注。在惊叹宇宙之美的同时，也有不少人好奇，像墨子巡天望远镜这样的时域巡天望远镜是怎么给星空“拍照”的？它与现有的时域巡天项目相比有何不同？带着这些问题，科技日报记者采访了相关专家，探究时域巡天望远镜给星空“拍照”的奥秘。
大视场、高像质增强时域巡天能力
墨子巡天望远镜的主要任务之一是进行时域巡天观测。“巡天”是指对所有可观测的天区分块逐个进行观测，“时域”的意思是通过重复观测同一天区或目标的方法监测天体亮度或其位置随时间的变化。
那么，墨子巡天望远镜观测天体的原理是什么？中国科学技术大学天文学系副主任范璐璐在接受科技日报记者采访时介绍，墨子巡天望远镜是一台光学望远镜，具有视场大、像质高的特点。它能快速、反复地给大面积天区范围内的暗弱天体“拍照”，并利用重复拍摄的照片形成天体亮度或位置变化的动态图，搜寻宇宙中动态变化的天文事件。
范璐璐介绍，作为一台主焦式望远镜，墨子巡天望远镜就像一个在焦点上倒扣了一台单反相机的主反射镜。只不过，单反相机直接接收平行光，而墨子巡天望远镜的主焦装置收集的是来自主反射镜的光。据介绍，墨子巡天望远镜使用一个反射镜和一组透镜组成一个近似固定焦距的“相机”。这组透镜包括5块改正镜和2块大气色散改正镜。其中5块改正镜的作用是改正各种类型的光学像差，在3度大视场范围内保证天体图像像质优良；大气色散改正镜可用于纠正大气折射导致的色散效应。
“墨子巡天望远镜的视场大小约为6.5平方度。”范璐璐解释道，“换句话说，墨子巡天望远镜拍一幅图，覆盖天空的面积有33个满月那么大。如果只使用一片滤光片，墨子巡天望远镜只需3个夜晚，观测的天区就可以覆盖整个北天球。”
此外，根据研究的动态事件的不同，巡天望远镜的拍摄频次也不相同。范璐璐表示，目前，墨子巡天望远镜有两套巡天计划。一套计划巡天面积较小（几百平方度）、频次较高（每晚同一天区观测多次）并且曝光时间较长（曝光90秒），旨在搜寻快速变化的动态事件；另一套计划巡天面积较大（数千平方度）、频次较低（每周同一天区观测多次），曝光时间适中（曝光30秒）。
高海拔台址、特殊光学设计提高灵敏度
与其他光学望远镜相比，墨子巡天望远镜有哪些特点？墨子巡天望远镜副总设计师、大视场巡天科学研究团组首席研究员郑宪忠在接受科技日报记者采访时介绍，墨子巡天望远镜具备强大巡天能力，能够获得大量图像观测数据。利用这些数据，科学家能开展多方面的天文学研究，产出科学成果。比如，它可对天空进行重复扫描观测，通过对比图像，探测在天球上移动的太阳系天体，并能发现亮度变化的天体和类似超新星这样的爆发事件。此外，墨子巡天望远镜还可通过叠加持续积累的观测数据提升观测的深度，使科学家能看到更远、更暗的天体，深入认识银河系和近邻宇宙的结构。
范璐璐也表示，墨子巡天望远镜使用了国际先进的主焦系统光学设计。它的相机采用9片9K×9K像素的科学级CCD（即电荷耦合器件）拼接而成，其科学成像总像素达7.6亿。相机同时集成了波前传感CCD和导星CCD，是国内首次实现大靶面高精度拼接的“三合一”主焦相机。
此外，范璐璐介绍，与其他时域巡天项目相比，墨子巡天望远镜具有多个方面的优势。首先，相比于之前的时域巡天望远镜——美国兹维基瞬变源探测设施，墨子巡天望远镜的主镜口径更大，相同曝光时间下具有更高的灵敏度，这不仅能使它够探测到更暗弱的动态事件，也有利于其更早地捕捉到动态事件，研究动态事件的早期变化，及时开展后随观测。其次，墨子巡天望远镜台址位于我国青海省海西州冷湖镇赛什腾山天文台址C点，海拔4200米左右，观测条件好，光污染极低，视宁度好。
“另外，得益于高海拔台址和特殊的光学设计，墨子巡天望远镜的紫外u波段灵敏度高，而现有的ZTF巡天没有紫外u波段。”范璐璐坦言，“高能动态事件在紫外波段的变化更为显著。墨子巡天望远镜将开展北半球独特的紫外u波段时域巡天，这有利于科学家更深入地研究这些事件。”