[发明专利]一种超灵敏光谱成像天文望远镜及天文光谱成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及天文学领域，特别涉及一种超灵敏光谱成像天文望远镜及天文光谱成像方法。

背景技术

天文望远镜是观测天体的重要工具，可以毫不夸大地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识。

按工作波段的不同，天文望远镜可分为光学望远镜和射电望远镜。其中光学望远镜主要以可见光为工作波段，根据使用地点的不同，可以分为地面天文望远镜和空间天文望远镜。由于光学系统的不同，又可以分为反射望远镜、折射望远镜、折反射望远镜等类型。射电望远镜主要以无线电波为工作波段。目前地面观测绝大多数处于凝聚态的天体(恒星等)仍以光学波段观测为主要手段，这是由于：大多数恒星等天体温度范围从数千度到数万度，辐射集中在光学波段；携带大量天体物理信息的谱线，主要集中于可见区；大气在可见区有良好的透射。

在天文观测中，光谱信息的获取具有重要的意义，这是因为天文学中大量的信息能以光谱的形式表现出来。第一，对宇宙和星系的研究。宇宙的诞生、星系的形成等前沿问题都建立在对星系物理的研究基础之上。研究宇宙大尺度结构依赖于星系红移巡天的工作。获取星系的光谱就能得到星系的红移，进而知道它的距离，由此获得星系的三维分布，这样就可以了解整个宇宙空间的结构，同时可以研究包括星系的形成、演化在内的宇宙大尺度结构和星系物理。获取星系的光谱是进行这一工作最基础的需要。第二，对恒星和银河系的结构特征的研究。由于不同元素具有不同的特征谱线，通过一颗恒星的光谱，可以分析出其元素构成和含量等化学组成，可以分析出其密度、温度等物理条件，还可以测量出其运动速度和运行轨迹等。研究了不同种类的恒星的分布，可以研究出银河系的结构和银河系的形成。第三，对宇宙生命的研究。通过恒星或行星的光谱，可以研究其表面水分和氧气的含量，以确定是否存在生物的可能。因此，在天文学中对光谱的研究具有重要而不可替代的作用。

然而，天文望远镜要想同时获得天文图像和天文光谱信息是十分困难的，其中最主要的困难是维度的问题。二维的天文图像与一维的光谱信息共有三维信息，按照传统的信息获取方式，则需要具有三个维度的探测器，而目前这显然是无法实现的，因此现有的大量的天文望远镜只能分别获得天文图像信息或天文光谱信息，而无法同时获得两方面的信息。一种解决方法是在普通的天文望远镜上通过二维探测器获取图像信息，再通过滤光片等方式滤出某一感兴趣的波段的光信号进行成像，这样可以获得单一波段的光谱成像，而要获得多波段或全波段的光谱成像只能通过改变滤光系统进行重复测量，而获得不同波段的图像。这种光谱成像的方式需要通过扫描光谱实现，要获得高分辨率的光谱，必然会带来巨大的时间成本，而且本质上仍然无法实现天文图像信息和天文光谱信息的同时获取。

灵敏度是天文望远镜非常重要的指标，因为天文望远镜灵敏度提高，就能够看到更暗更远的天体，这等同于能够看到更早期的宇宙，这对于研究宇宙的起源等人类关心的最基本问题具有重要意义。在天文光谱探测中，由于只获取单一波段的信息，与全波段成像时相比光信号的强度大大减弱，因此对灵敏度的要求更高。天文光谱望远镜的灵敏度提高，就可以将光谱测量时的波长分得更细，获得更高的光谱分辨率。因此天文成像和天文光谱成像的发展需要更高灵敏度的天文望远镜。

目前天文望远镜灵敏度的提高主要通过口径的增大来实现，望远镜的口径越大，集光能力越强，灵敏度也会越高，因此现代天文望远镜的口径制作地越来越大。但是，随着望远镜口径的增大，一系列的技术问题接踵而来。例如，口径5米的海尔望远镜曾经是世界上最大的天文望远镜，它的镜头自重达14.5吨，可动部分的重量为530吨，而后来建成的6米口径天文望远镜更是重达800吨。一方面，望远镜的自重过大会使镜头变形相当明显，另一方面，镜体温度不均也令镜面产生畸变，进而影响成像质量。从制造方面看，传统方法制造望远镜的费用几乎与口径的平方或立方成正比，所以制造更大口径的望远镜在性能和费用上都受到极大限制。