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华中科大“三镜”设计者:两种技术方案比较|大望远镜争议之五

 
编者按:
 
《知识分子》继续保持中立立场,刊登来自华中科技大学“三镜”方案主要设计者马冬林博士对于此前大望远镜技术路线争议的回应文章,以期提供更多技术论证内容,供识者参阅。欢迎不同观点来信争鸣。
 
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LOT望远镜两种技术方案比较
 
撰文|马冬林(华中科技大学)
 
8月4日陈建生院士的一封公开信让天文界针对十二米大型光学红外望远镜(LOT)设计方案选型的争议为大众所知晓。陈院士在公开信中系统地披露了中国天文学界科学需求与南京天光所坚持“自主创新”技术路径之间所存在的分歧与矛盾,引起了社会公众的极大反响。
 
目前学术界以及社会公众仍然对于两个技术方案的争议存在疑惑。为了进一步厘清事实,我作为华中科技大学三镜方案的主要设计者,现将截至目前所引发的三镜系统和四镜系统之间的争议从技术角度进行进一步地阐述。
 
1 三镜和四镜设计方案
 
如图1所示分别为华中科技大学提出的三镜设计和天光所提出的四镜设计的光路示意图。从图1(b)中可以看出,为了使光束能够抵达M3镜,M4必须中心开孔,而且望远镜工作视场越大,则相应的开孔则越大。
                                             
 
2 四镜设计的主要问题
 
天光所提出的四镜系统通过增加镜面数来提高大视场的成像质量(仅仅是设计像质,实际上因为各种客观因素的限制无法实现),则相应地必将大大降低系统通光效率、增加系统反射损失,同时更加复杂的结构也会导致造价的提升以及其他一系列的工程问题。主要体现在如下几个方面:
 
第一,四镜系统增加了一面额外的反射镜。如果采用成熟的镀铝膜技术,而铝膜两年内的平均反射率在87%左右,则相比三镜系统至少增加了13%的反射损失。
 
第二,四镜系统M4中心开孔存在一个极大的漏光损失(15角分对应12%的漏光,20角分对应25%的漏光损失)。为了减小第四镜M4中心开孔的漏光损失,对不同视场的天文观测,需要更换不同大小开孔的第四镜(漏光仍然无法避免)。多个M4的加工制造以及切换系统无疑增加了望远镜的建设成本和不必要的运营风险。
 
第三,四镜设计由于主镜下面悬吊一个反射镜,相比RC三镜系统增加了镜筒长度,在增加圆顶造价成本的同时也进一步会增加了空气在镜筒(dome)内的湍流,从而影响望远镜的成像质量,降低科学产出。
 
第四,四镜系统面临同轴上三个非球面镜之间的装调,其装调难度远大于三镜系统。
 
第五,四镜系统中副镜(凸镜)设计尺寸大(超过三镜系统的副镜至少50%以上),且圆锥常数较三镜RC系统而言大很多,非球面度明显更高。由于凸镜本身不易检测和加工,因此四镜系统的副镜加工难度非常大,需要更长的加工时间,也进一步提升了加工成本。
 
第六,四镜系统具有更加复杂的机械结构和更长的光路,因此四镜系统抗外力(如圆顶内气流、风力和重力等)影响的能力远不如三镜系统,会极大地增加工程化难度和成本。
 
第七,四镜系统没有在大望远镜上的成功实践,技术风险较大。四镜系统在设计和建造上会耗费巨大的时间成本和试错成本。
 
3 三镜和四镜设计的科学与光学性能比较
 
3.1 总体科学需求
 
针对十三五期间立项建设的“大型光学红外望远镜”,发改委颁布的指南明确要求建设一架12米级口径的光学红外望远镜,最暗天体成像极限亮度达28星等,最暗天体光谱极限亮度达到25星等。这就要求我们的十二米望远镜必须具备Keck望远镜光谱观测能力。从最新掌握的数据看,中国十二米优选台址阿里地区的视宁度比Mauna Kea这样的台址差25%左右。这样,十二米望远镜相对较大的通光口径被相对较差的气候观测条件所抵消。所以,中国十二米则必须具备与Keck望远镜相当甚至更高的通光效率,才能达到国家指南要求。显然,四镜系统的设计由于第四镜中心开孔损失以及多一面镜子的反射损失,难以达到Keck望远镜的通光效率。因此,四镜系统在观测暗弱天体能力方面无法满足国家发改委所颁布的指南要求。
 
3.2 大气湍流主导下的天文观测
 
如果LOT望远镜在没有自适应光学校正的情况下进行观测,那么望远镜的成像质量完全由望远镜所在台址的大气湍流情况(即大气视宁度)所主导。目前,根据已有的观测数据,阿里地区的大气视宁度大概在0.9角秒左右。而三镜设计即便在20角分的视场范围内,其设计像质也优于0.2角秒。因此,在大气湍流主导的条件下进行观测时,三镜系统和四镜系统的成像质量基本相当,其观测性能完全由系统的通光效率决定。显然,四镜系统的通光效率比三镜系统要低25%到35%,因此其观测能力不如三镜系统。
 
3.3 极限自适应光学(ExAO)校正下的观测
 
地基望远镜只有通过极限自适应光学进行校正之后才能够实现衍射极限的设计像质。然而,极限自适应光学的校正视场范围一般只能在数角秒到一角分之间。因此,我们一般采用中心视场的像斑中心亮度来评估望远镜在ExAO校正下的观测能力。
 
根据前面介绍,四镜系统的M4必须中心开孔。三镜系统和四镜系统在中心视场范围内均能够实现衍射极限的光学设计。然而,由于四镜系统的M4中心开孔会带来严重的衍射效应,会使得艾里斑能量向高衍射级次的环带迁移,从而严重降低中心视场的像斑中心亮度。举一个例子,如果四镜系统采用14角分的开孔设计,考虑镜面反射损失,其耐焦的像斑中心亮度要比三镜系统的耐焦要低至少32%,而比三镜系统的卡焦则要低至少40%。因此,我们可以得出结论,在ExAO校正条件下的观测中,四镜系统的科学与光学性能远不如三镜系统。
 
3.4 近地自适应光学(GLAO)校正下的观测
 
GLAO是最近几年国际上发展起来的一种新型的自适应光学技术。它通过仅校正靠近地表层的大气湍流来实现较大视场范围内望远镜成像质量的提升。其理论上的校正视场范围能够达到10角分,甚至15角分。
 
但是,GLAO校正能力有限,无法达到衍射极限的成像质量。因此,即便在15角分以内,无论是三镜系统还是四镜系统,最终的成像质量也由GLAO校正之后的大气扰动所主导,二者的成像质量依然相当,望远镜的观测性能也主要由望远镜的通光效率和有效口径所决定。
 
而且, GLAO是一种难以实现且不稳定的大气改正,这主要体现在如下几个方面。 第一,GLAO的表现能力将随着大气状况的变化而变化,因此在一晚上的不同时间段,表现性能会有所不同。第二,GLAO的性能严重依赖于是否存在有明显湍流的接地层大气,目前没有证据表明阿里地区存在明显的湍流分层。第三,GLAO系统的校正能力依赖于副镜的共轭高度,而四镜系统副镜相对于主镜的共轭高度与RC设计一样均在地表层以下,在GLAO设计上与RC相比并没有优势[8]。第四,实现宽场(视场大于5角分)GLAO是世界性难题,目前并无先例。目前,世界上具有最宽视场范围(4角分)的GLAO是通过LBT格里高里望远镜(AG)在红外波段实现的,该望远镜实现了副镜和接地层大气之间的共轭。第五,建造研发一个拥有500个促动器的1.8米自适应副镜是极端的技术挑战。目前,自适应控制的副镜最大尺寸约为1.1m(VLT)。第六,四镜系统在增大GLAO校正视场方面跟RC系统相比没有任何明显的优势,而其在目前已实现的GLAO校正视场范围内(小于4角分),其成像质量反而不如RC系统。因此,即便我们国家具备与目前最先进的LBT同样的GLAO技术能力,四镜系统的GLAO观测性能依然不如三镜RC系统。
 
3.5 四镜系统M3的其他影响
 
四镜系统额外增加的中继镜M3对系统存在着多方面难以克服的约束。第一,四镜系统M3离主镜距离较远的情况——望远镜整体平台升高,从而增大镜筒长度,增加圆顶造价;第二,四镜系统M3离主镜距离较近的情况——耐焦距离主镜边缘很远,耐焦平台的重力稳定性难以保证;第三,四镜系统M3占据了望远镜对称性和通光效率最高的卡焦(如图1(b)所示)。
 
4 其他技术性争议
 
根据前面的系统分析和比较,我们可以很容易得出结论,四镜系统的总体科学和光学性能不如三镜系统。因此,为了论证四镜更加优越的性能,四镜方案的支持者提出了许多错误的论点或者假设中国具备了很多国际上都不具备的技术能力。在这一节中,秉持科学的立场,择要摘取几个比较典型的论点进行深入的阐述,以澄清相关事实。
 
4.1 观点一:“四镜系统多余的反射损失可以通过镀银膜控制在2%以内”
 
银膜在可见光波段的平均反射率在98%左右。然而,银镀膜的缺点是暴露在空气中极易氧化,反射率下降速度非常快。如550nm绿光的反射率经过两年之后会下降到约40%左右。因此,必须采用带保护层的加强银膜。然而,目前国内并不具备成熟的加强银膜镀膜技术。且加强银膜的最佳反射率也仅在95%左右。考虑到技术成熟度,中国十二米望远镜的首光仪器阶段优先考虑镀铝膜技术,而在可见光波段铝膜两年内的平均反射率为大概87%。因此,四镜系统增加一面反射镜至少带来额外13%的反射损失。
 
4.2 观点二:“四镜系统(五镜系统)M4镜作为自适应反射镜”
 
这里存在的疑虑主要有如下几点:第一、M4 倾角太大,GLAO镜背后存在很多较重的电子学器件,倾斜那么大势必造成电子器件对光通过M4的遮挡。第二、鉴于上一条疑虑,NIAOT考虑参考E-ELT的光学设计拟采用如图2所示的五镜系统进行GLAO校正。然而,E-ELT(主口径39米)用M4做GLAO镜是因为副镜M2太大,没法做GLAO镜,但10米以及12米级望远镜完全不存在这个问题,副镜做GLAO镜也足够好。从经验上看,自适应镜的最优选择是副镜。国际上已经实现了1.1m级的自适应副镜的制造,目前也具备1.5m级自适应副镜的制造能力,完全能够满足中国十二米望远镜(RC结构)的自适应副镜的需求。第三、退一万步说,即使四镜SYZ系统可以用M4做GLAO镜,效果比M2好,然后阿里大气也可做 GLAO, 则是否需要应该完全取决于科学委员会的决定。我们需不需要付出12m 望远镜起初15-20年在大气扰动所主导下的劣势,然后追求15-20年之后GLAO校正的一点点优势(甚至很大的可能是最后这个优势也不存在,如上面的论述已经可以清楚判断)。这个问题应交由望远镜的最终用户代表,即科学委员会来决策。
 
同样,GLAO在实际观测上具有高度的不确定性。即使国际三十米望远镜在考虑望远镜性能的时候,也没有把大视场GLAO作为一个优先考虑。大部分的天文学家都在质疑我们到底有多少比例的晴夜具备长时间使用大视场GLAO的稳定大气条件。虽然GLAO条件下三镜系统毫不逊色(甚至可能更优),但我们也认为将GLAO可行性列为中国十二米光学方案选择的优先考虑因素是不合理的。
 
4.3 观点三:“四镜系统具有‘远心’性,能够避免使用准直镜”
 
“远心”系统的特征是入瞳或出瞳位于无限远处,表现在主光线与物平面或焦平面垂直。主光线即为轴外像点处汇聚的光锥光束中的中心光线,也即通过物点(或像点)和入瞳(或出瞳)中心的光线。为了使进入望远镜光谱仪的狭缝或者光纤的通光量最大化,必须保证光束达到狭缝表面或者光纤束面时具有远心特性,即,光束的中心光线垂直于狭缝或者光纤束所在表面。
 
从图3中可以明显看出,四镜系统中各视场中的主光线并不垂直于焦平面,因此该系统不具备“远心”特性。所以,为了提高狭缝或者光纤的接收效率,四镜系统的仪器接口处不可避免地同样需要准直器实现输出光束的准直性。
 
5 结论
 
从如上的分析以及讨论中可以看出,四镜系统无论在大气扰动所主导的观测条件下,还是自适应光学校正(GLAO和ExAO)的观测条件下,其科学和光学性能均不如传统的三镜系统。而四镜系统的建设成本和建造风险则远大于三镜系统。所谓“自主创新”也完全是为了创新而创新,不具备任何实际意义,反而容易造成国家经费的巨大浪费。
 
毋庸讳言,大型光学红外望远镜是服务于天文观测的大型科学装置。因此,充分满足实际的科学需求才是建造大型望远镜的最主要目的。而三镜系统是已经被国际上广泛验证过的设计方案。几乎所有国际上主要的10米级大型望远镜如美国的凯克(Keck)、大双筒望远镜(LBT)、日本的斯巴鲁(Subaru)、欧洲的甚大望远镜(VLT)、以及美国在造两台三十米级望远镜(GMT和TMT)等都采用的是三镜系统。而且,通过国际上现有的三镜系统的使用情况可以看出,经典三镜系统完全能够满足目前全部的科学需求。
 
此外,光学系统影响着整个望远镜的全局结构与功能,是望远镜中最核心的关键系统。望远镜光学方案的选择也直接决定了望远镜的整体性能、望远镜系统工程制造的风险、望远镜造价以及望远镜使用的便捷性等。世界上没有完美的光学系统,我们也不可能设计一个面面俱到的光学系统。光学方案的确定,是利害权衡的结果。因此,综合考虑望远镜光学性能、科学性能、工程化能力以及工程造价等因素,我们认为,华中科技大学提出的三镜方案是中国十二米望远镜设计方案的不二选择。
 
附录:本文缩略词简表
LOT:Large Optical-infrared Telescope(大型光学红外望远镜);
LBT: Large Binocular Telescope(大双筒望远镜);
VLT: Very Large Telescope(甚大望远镜);
GMT: Great Magellan Telescope(大麦哲伦望远镜);
TMT: Thirty Meter Telescope(三十米望远镜);
GLAO: Ground Layer Adaptive Optics(近地层自适应光学)
RC: Ritchey–Chrétien;
AG: Aplanatic Gregorian;
NIAOT: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technologies(南京天光所)
ExAO: Extreme Adaptive Optics(极限自适应光学)
SYZ:四镜系统
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