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將安裝在Subaru望遠鏡上的主焦點光譜儀 (PFS)

meetingPFS 系統由光譜儀和光纖定位器組成,資料由光纖匯入,設計時最重要考量是,它必須安置在夏威夷毛納基山上口徑8.2米的Subaru望遠鏡的主焦點單元上,換言之,空間有限。透過光纖取得的訊號資料經由PFS系統轉送到4座固定式光譜儀,而光譜儀的位置則是在Nasmyth焦點附近(見圖中標示:「四座光譜儀的位置」)。PFS總共有2,400條光纖和2,400個光纖定位器,可以同時觀測到2400個天體的光譜。這座擁有2千條光纖、觀測範圍涵蓋可見光至近紅外波段的光譜儀可望達成多項重要觀測目標,譬如:宇宙學上的星系普查、星系考古,星系/活躍星系核(AGN)演化等。

    WFC(廣角修正鏡組)啟用後的Subaru望遠鏡,廣角功能獲進一步擴充,夾帶這項有利條件,輔以新一代超廣角相機(HSC)更獨特的高靈敏度超廣角特性,PFS將挑戰在1.3度視角(廣角)下,同時間完成最多2400個天體之光譜觀測的極限任務。每條光纖的入口端裝設有微透鏡,能進行光圈數(F-ratio)轉換,讓大角度的光訊號能無損地藉由光纖來傳遞至光譜儀上,這項特殊設計對降低整座多光纖光譜儀的複雜設計難度有很大幫助,此外,在光纖定位器的運作下,每條光纖都能精確無誤地調整至所對應的位置上。這些定位器上每個都配備兩個壓電式旋轉馬達,藉由背向照明之光纖來測量光纖位置以反覆校正馬達位置方式達成光纖定位,提供這項位置測量功能的就是「廣角多光纖定位相機」(wide-field metrology camera)。光纖會把光輸送到一組快速Schmidt式光譜儀,總共四個,一模一樣。每座光譜儀有三個不同光徑,能同時進行三波段的解析,總波長範圍涵蓋0.38毫米到1.3毫米,所觀測天體的光線只要是在此波長範圍內,系統便直接自動以波長解析力為3000的高解析力模式開始觀測。在下一代所謂「非常大」型的,口徑達30公尺等級的望遠鏡建造完成之前,目前,以口徑8~10公尺等級的Subaru望遠鏡而言,是唯一能在同一時間內觀測到多達2400個宇宙學及天文物理上的觀測目標,還能一一取得個別天體的光譜,這項功能極為難能可貴。

PFS合作團隊成員除了由中央研究院天文及天文物理研究所代表臺灣以外,其他成員有:巴西的USP/LNA(聖保羅大學/國家天文研究所),美國的加州理工學院與噴射推進實驗室(CAL Tech/ JPL)、普林斯頓大學& 約翰霍普金斯大學JHU,法國的LAM馬賽天文研究所,日本的日本國立天文臺之Subaru望遠鏡、東京大學的數物連攜宇宙研究機構等。臺灣團隊負責多光纖定位相機系統和主焦點儀器的大部分元件。多光纖定位相機系統的作用是將主焦點光纖的陣列拍攝成像,先藉由測量到光纖尾端位置,再透過定位器指令去微調光纖位置,直到光纖和選定觀測天體目標能準確對準以便接收天體訊號。多光纖定位相機系統位於卡塞格林焦點上,透過WFC單元來取得光纖陣列在主焦點上的圖像,(相對於多光纖定位相機,WFC的功能則是針對整個望遠鏡在主焦點單元上的成像)。這個多光纖相機計量成像的基本設計概念是,讓全部光纖籠罩在一具大型高解析度成像感測器下,拍攝到一張「團體照」,光源位置在光譜儀工作檯上,光源從2400條光纖的後面以強光提供「背向照明」。由於多光纖定位相機按主焦點目標物繪圖時,圖像變形會主要是受到來自WFC的影響,望遠鏡圓頂內的空氣擾動也會降低獲得圖像之清晰度,在焦平面位置上有一組具有精確位置(或綜合參考科學光纖之原始位置)之背光「基準」光纖,已保留作為圖像校準使用。這座相機系統之設計包括了硬體及軟體,硬體部分是相機鏡頭、成像感應器、對準機構、電子控制模組、熱控制模組、安裝機構等,軟體部分則包括影像取得及光纖位置分析等功能。

鑒於整個光纖對定位的精度要求是0.1”,換算在主焦點平面上,相當於9毫米,其中又有數項誤差需納入考量,因此預計對多光纖定位相機的要求是,光纖的定位精度必須在5微米以內。此外,由於光纖完全重新配置到新位置需時大約是40秒,Cobra定位系統又需8次反覆動作,因此,多光纖定位相機的預設測量時間值必須是小於5秒(這包括曝光、讀出、像素校準、矩心計算、計算繪圖上的變形)。在多光纖定位相機的這些要求下,現階段設計目標是光學放大倍數:0.0415以及遠心角度:0.0017度,採用的是大型CMOS感測器,規格達5千萬像素(由9K x 5.8k而成52M)。不考慮使用CCD感應器的原因是因其所需讀出速度比CMOS型感應器慢。

多光纖定位相機將在中研院天文所設計製造,並送往美國加州噴射推進實驗室,與主焦點儀器系統進行整合與測試,下一步於噴射推進實驗室整合完成後,再送往望遠鏡所在地的夏威夷,做最後階段的系統整合。在毛納基山頂基地上也必須建構必要之測試設定,以便在交付前完成最後階段測試。

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