|
||||
 |
||||
|
将引发天文学革命的未来巡天
|
||||
|
Liz Kruesi 文 Shea 编译 |
||||
|
有两架新的望远镜将会引领未来的大视场巡天，在太阳系、银河系、宇宙学和各个天文学分支中作出重大的贡献。 几十年来，天文学家们一直在进行大视场巡天观测，但未来的巡天将会在更短的时间内记录下范围更大、更为深远的宇宙。这正是我们所期望的新探测器技术的发展方向。在这个过程中，尤其有两个项目——全景巡天望远镜与快速反应系统（Pan-STARRS）和大口径全天巡视望远镜（LSST）——将彻底改变天文学家观察天空的方式。 这些即将问世的望远镜所拥有的宽大视场可以使它们在短短几天里就能观测夜空中的大片区域。先进的照相机将会记录下望远镜看到的所有恒星、星系和其他静态的天体。望远镜上的计算机系统会根据不同时间的观测来检测同一片天空的变化。这意味着它们将有能力发现数百万个像小行星、彗星、柯伊伯带天体和超新星这样会改变位置或亮度的天体。 当它建成之后，位于夏威夷莫纳克亚山顶的Pan-STARRS将是一个由4架1.8米的望远镜所组成的阵列，它相当于一架3.6米望远镜的观测能力。位于智利帕琼山的LSST则会装备一面8.4米的反射镜。这两个项目都将利用在光学、电子和超级计算机领域中所取得的最新进展。而随着这两个项目的科学家把数据放到互联网上之后，这些科学资料将会被更为广泛地应用。这将是天文学的未来。  大图景 绝大多数的望远镜都是深入观测天空中的一小片区域。例如，哈勃空间望远镜的大视场相机3的视场只有大约7平方角分。与之相比，斯隆数字巡天（SDSS）的3平方度的视场就比“哈勃”的大了1,500倍左右。但是SDSS为了大视场牺牲了深入观测的能力。下一代的巡天则会两者兼顾。Pan-STARRS具有7平方度的视场，但在短短30秒钟的曝光时间里它却能看到暗至24等的天体。LSST更厉害！它可以在15秒内对其9.6平方度视场——是“哈勃”的约4,800倍——内暗至24.5等的天体成像。 尽管和从2000年起便一直勤劳不懈观测天空的SDSS具有类似的目标，但Pan-STARRS和LSST的速度更快。10多年来，SDSS拍摄了12,000平方度左右的天空，采集了约16万亿字节的图像。预计会在2013年投入使用的Pan-STARRS在8小时内就能观测6,000平方度，只需要一个星期就能观测一遍整个可见的夜空。而预期在2017年会开始完全投入使用的LSST能在3天左右的时间里覆盖约20,000平方度的天空，这相当于在任何一个时刻整个可见天空的大小。 对于Pan-STARRS和LSST来说，大视场就需要大相机。Pan-STARRS阵列中的每一架望远镜都将配有一台14亿像素的照相机。照相机中CCD探测器阵列的边长为40厘米。首架Pan-STARRS望远镜于2009年3月开始常规观测。这架望远镜被称为Pan-STARRS 1（PS1），是另外三个的原型。它们每个都将拥有一台非常类似的大规模相机并使用相似的望远镜技术。 到2009年秋，由于望远镜的聚焦出现了问题，Pan-STARRS团队停止了望远镜的运转。他们最终发现，以极高精度维持镜面位置和指向的支撑系统中有部件无法正常工作。但到2010年初，在对有缺陷的部件进行了重新设计之后，PS1再次投入了数据采集。PS1会以5种不同颜色的滤光片对在夏威夷可见的每一片夜空进行12次观测。 在整个系统投入运行前，原型望远镜帮助查找并解决了存在的问题。Pan-STARRS团队仍在进一步完善PS1系统，并且毫无疑问地将会把这些设计上的变化融入后续的望远镜中。 LSST项目则更遥远一些，不过一旦在2017年投入运转，其高达32亿像素的照相机将是有史以来建造的最大的数码相机。整个照相机系统将有3米长、1.6米宽，而探测器自身的直径则达到了64厘米。
排查天空 每天晚上LSST都会覆盖10,000平方度的天空，产出和SDSS相当的15万亿字节的数据量。在LSST十年的运转中，研究人员会得到总共6亿亿——6后面跟16个0——字节的数据。LSST的数据将会包括100亿颗恒星和100亿个星系的相关信息。作为比较，SDSS的数据只包含了3.5亿个天体。 那么，科学家们将如何管理由它们所带来的这一数据洪流呢？计算能力的进步使得这些巡天成为了可能。根据“摩尔定律”，计算能力大约每2年就会提高一倍，因此这些望远镜所要做的就是坚持到底。 LSST和Pan-STARRS都会观测一片天区，然后再移动到下一片，拉网式地进行。然而，它们每一次观测的时间却各有不同。确定曝光时间的长短关键是要在两个因素之间寻求平衡点。曝光时间必须要足够长，这样才能确定哪些是电子噪音、哪些是真实的数据；但它又要足够短，这样小行星和其他会移动的天体就不会变得模糊。 在每一片天空，Pan-STARRS会拍摄曝光30秒的快照，它最暗可以拍摄到24等的天体。然后它会移动到下一片天区并同时下载数据。它会1个月3次对整个可见夜空不间断地重复这一过程。 Pan-STARRS会在几十分钟到几周的时间里重新观测同一片天区。这取决于该片天区。这一技术可以帮助识别主带小行星。回溯同一天区前后过长的时间间隔和小行星自身可能的运动过快都会使得Pan-STARRS的大脑无法将它们认定成同一个天体。对于柯伊伯带天体，Pan-STARRS的观测时间间隔将会长一些，大约几天。而对变星的观测则将由它的脉动周期来决定。 LSST会采用稍有不同的做法。它将观测同一片天区，并连续拍摄两张曝光15秒的图像。然后，像Pan-STARRS一样，它会在移动到下一片天区的过程中下载数据。通过这一过程，LSST将在其10年的巡天寿命中对20,000平方度的天空中每一点成像观测2,000次。LSST每次会观测9.6平方度的天空，它的大脑会监测图像之间的差别。 搜寻移动、变化和暂现天体是这两个项目的重点研究领域。随着海量数据的收集，每架望远镜都会比对前后的图像。为了找到移动或者暂现的天体，第二幅图像会被从第一幅中扣除，由此会揭示出噪声以及任何亮度或位置发生了变化的天体。 每架望远镜上的超级计算机都会侦测亮度发生变化（例如超新星和γ射线暴）或位置发生改变（例如小行星、彗星和柯伊伯带天体）的天体。为了搜寻像小行星这样会移动的天体，你必须先曝光几次拍摄一组图像，在约一个小时之内再对同一片天区进行观测。接着，第二天你必须再重复这样做一次。然后，下一周你还要这样再做一次，等等。一旦LSST的大脑发现了不同的东西，它就会在1分钟内向科学家和天文爱好者发出警报。  天体普查 1994年，美国国会指示美国宇航局和其他空间机构以及美国国防部一起对会穿越地球轨道的彗星和直径大于1千米的小行星中的90%进行普查。2005年，美国国会将这一目标更新为到2020年完成对直径超过140米的近地小天体中90%的普查工作。眼下的技术还无法达到这个目标，但大视场巡天可以。 Pan-STARRS将能够观测到比目前近地小天体巡天所能探测到的最暗弱天体还要暗上约100倍的目标。科学家估计，Pan-STARRS将会观测到约1,000万颗主带小行星和数以万计的近地小天体以及柯伊伯带天体。他们还预计，它会完成对所有直径超过1千米的近地小天体的普查并会观测到直径小到300米的近地小天体中的绝大部分。 在投入运转数年之后，LSST就将达到这些要求。计算建模显示，LSST可以找到直径超过140米具有潜在威胁小行星中的90%。 近地小天体并不是未来巡天搜索的唯一太阳系天体。这两个望远镜预计会发现数万个柯伊伯带天体。它们甚至还有可能发现海王星轨道以外火星大小的天体。 此外，LSST和Pan-STARRS也会搜寻超新星、γ射线暴以及宇宙中的其他爆发。天文学家预期，Pan-STARRS每个月会发现并分析大约5,000颗Ia型超新星——20世纪90年代末用它发现了宇宙在加速膨胀。LSST则有望找到10,000颗超新星。而目前宇宙学家能加以分析的Ia型超新星只有几百颗，这些结果将大大增加可供研究的数据量。 γ射线暴的威力比超新星还要大，它们是大质量恒星壮烈死亡的象征，同时也是已知最剧烈的爆发现象。虽然γ射线暴最初的爆炸发射出的是γ射线和X射线，但在这些高能辐射之后它余辉的辐射则能量较低。这两架望远镜都将会捕捉到γ射线暴的可见光余辉。而这些都只是Pan-STARRS和LSST有望在大视场巡天中搜寻的变化天体中的少数几个例子。 这其中有一些会出现在“深度挖掘计划”中。根据该计划，LSST会在10年中对40或50个选定的天区做深入分析。在每一片选定的天区中它会进行许多次快速曝光，随后把它们叠加起来。这是寻找快速变化天体的一大理想方式。这同时也是一个寻找暗弱天体（例如柯伊伯带天体）的好办法。事实上，这些选定的区域中有一些就位于黄道附近，专门用来搜寻柯伊伯带天体。
宇宙学问题 1998年，有天文学家提议建造一个由3架望远镜组成的光学系统来研究暗物质。10年后，科学家和工程师们开始铸造并抛光这架8.4米的主镜。但它不再是只为用来对暗物质进行研究的了。相反，研究人员意识到，这架“暗物质望远镜”所涉及到的技术也可以帮助发现近地小行星和其他暂现的天体。他们将其改名为“LSST”。 LSST将会对宇宙学研究产生非常大的影响。有证据表明，我们的宇宙大部分是“暗”的。科学家仅通过引力就可以探测到宇宙中大部分的物质。此外，宇宙的引力似乎输给一些神秘的力量，后者让宇宙的膨胀在加速。科学家们不知道其中的原因和过程，甚至不清楚他们自己是否正确解读了所获得的证据，但LSST的观测应该会有帮助。 LSST将使用4种不同的宇宙学探针来探测暗能量和暗物质。通过对全天的巡查，它会观测数十亿个星系并探测可回溯至宇宙年龄仅有目前一半处的更大规模的结构。当一个星系所发出的光经过附近的大质量天体（例如一个星系团）时，大质量天体就会使得光线发生弯曲。这种效应被称为引力透镜。因此，星系越遥远，它的影像就会越扭曲。LSST可以看到前景天体扭曲背景星系所发出光线的这一效应。当LSST监视天空的时候，它会看到一片“弱”引力透镜的海洋。 对于每一个星系，LSST将会测量它的扭曲程度以及它的6种颜色（颜色可用于距离测量），以创建一个宇宙质量的分布图。由于暗能量会影响宇宙结构的成长以及这些结构之间的距离，因此了解宇宙的质量分布将为宇宙学家提供有关暗能量性质的线索。 弱引力透镜效应只是科学家们将使用LSST来回答有关宇宙学问题的一种方法。宇宙学研究是它的主要目的，于是你可以想象科学家将使用LSST的10年巡天数据来研究分析这些难题。 虽然Pan-STARRS的重心将放在近地小天体和其他太阳系天体上，但它也将参与宇宙学研究。这一大视场巡天系统的美妙之处就在于它的所有数据可用于各种目的的研究。于是，科学家们除了可以用收集到的数据搜索小行星之外，还可以用来研究弱引力透镜。 不仅仅为专业人士 像SDSS一样，Pan-STARRS和LSST将会向科学界和公众发布海量的数据用于研究。天文学家可以利用这些数据来寻找近地小行星、变星、超新星和其他暂现天体——还有许多尚未被发现。宇宙学家则可以用这些数据来分析暗物质和暗能量的性质。 但是，LSST走得更远。人们不必等待官方正式发布数据。相反，每个人——其他项目的科学家、教育工作者、中学生、天文爱好者——都可几乎实时地访问它的所有数据。LSST是一个开源的、开放数据的项目。这种开放的做法是天文学的未来，同时也是许多其他领域的未来。这样一个未来将无所不包的。 LSST的镜面已经完成了铸造。其照相机技术也正按部就班。目前最大的障碍是软件。获得千万亿字节的数据是一回事，对它们进行高精度校准并生产出值得信赖的产品、然后通过友好的方式提供给科学家和每个人则是另外一回事。只有这样各个年龄段对宇宙充满好奇的人们才能自己来探索这个宇宙。 同样依赖于超级计算能力，整个Pan-STARRS阵列将于几年——该项目成员希望是3年——内投入使用。它会大幅推进对太阳系天体的发现和研究，同时彰显出这样的大视场深度观测技术可以非常好的工作。随后几年，LSST则将会以其更大的极光面积来获得更深邃的数据。总之，这些未来的项目将会改变天文学家的研究方式，引发一场革命。 |
||||
|
[Astronomy 2010年07月]
|
||||
2001-2017 火流星工作组制作
本文遵循“创作共用约定”之“署名-非商业性使用-禁止演绎”3.0约定
任何意见和建议请致电：