大型光学红外望远镜

大型光学红外望远镜(Large Optical－infrared Telescope, 简称LOT) 整体情况、科学目标和技术需求 目录 1. LOT基本情况简介..............................................................................1 2. LOT总体建造目标..............................................................................1 2.1 中国的光学红外观测望远镜..........................................................................................................2 2.1.1中国的通用光学红外望远镜..................................................................................................2 2.1.2中国巡天光学红外望远镜.......................................................................................................2 2.1.3 LOT建成后的国际环境............................................................................................................3 2.2 中国天文光学红外学界...................................................................................................................3 2.3 LOT项目本身的约束条件................................................................................................................4 2.3.1 LOT的预算....................................................................................................................................4 2.3.2 LOT的时间节点...........................................................................................................................5 2.3.3 LOT台址.........................................................................................................................................7 2.3.4 红外的探测限制.........................................................................................................................7 3. LOT具体的科学需求..........................................................................7 3.1 科学需求提出的背景和理由..........................................................................................................7 3.2 LOT的科学需求...................................................................................................................................9 4. LOT拟配置的科学仪器....................................................................11 1 1. LOT基本情况简介 LOT是国家发改委“十三五”国家重大科技基础设施规划建设的项目之一。该项目将优选台址（目前三个候选台址都在西部高海拔地区），建造一台大型（12米级）光学红外精测望远镜。中国科学院天文大科学研究中心（依托国家天文台）于2016年7月正式发文成立了大型光学红外望远镜前期工作组，全面负责组织LOT各项前期准备工作。LOT前期工作组组长为国家天文台台长严俊，副组长为紫金山天文台台长杨戟和上海天文台台长洪晓瑜。成员包括近20位来自各主要天文单位的科学、技术、台址、管理等方面的专家。前期工作组实行月例会，讨论决策相关重大事项的工作机制。前期工作组下设几个工作小组或临时召集人，分别负责LOT科学、技术、台址、LOT与中国科学院和国家发改委以及台址所在的地方政府之间的联系、LOT与国际天文界的联系与合作等。由于光学系统方案设计是LOT项目最关键起点和基础，LOT前期工作组委托LOT项目建议书编写组组织光学系统设计方案相关工作（项目建议书编写组组长为国家天文台副台长薛随建研究员）。2016年12月启动了LOT光学系统设计方案的征集工作；2017年4月，分别收到南京天光所和华中科技大学的两个设计方案；4月19-20日，由9位国际大型望远镜资深专家组成的咨询专家组对两个设计方案进行了咨询评议，提交了专家咨询报告。2. LOT总体建造目标 LOT的总体建设目标是建造一架通用型的大型（12米级）光学红外精测望远镜，配备一套多样化的首光科学仪器，以满足多样性的科学需求。这些科学需求包括但不限于：宇宙各层次天体起源和演化、极端宇宙条件物理、由宇宙结构形成揭示的暗物质和暗能量性质及引力波源光学对应体等。望远镜应具备多目标、暗天体成像和光谱观测的2 精测能力，最暗天体成像极限亮度达到28星等，最暗天体光谱极限亮度达到25星等。LOT总体建设目标是由几个约束条件决定的。2.1 中国的光学红外观测望远镜 2.1.1中国的通用光学红外望远镜 在国际上8-10米口径的望远镜已达13架之多，而我国最大口径的两个通用型光学红外望是兴隆观测基地的2.16米望远镜和云南丽江高美古观测站的2.4米望远镜。巨大的差距不仅严重限制了当前国内观测天文的发展，而且也因为相应平台的缺失，在观测、仪器、管理等多方面无法让下一代天文科研人员接触到好的培训和锻炼，造成了日益严重的恶性循环。国家天文台为了缓解天文界对望远镜的观测需求，于2010年左右启动了“Telescope Access Program (TAP)”项目，通过购买国际大中型望远镜观测时间的方式，让中国天文科研人员能够在CFHT（4米），Palomar（5米），Magellan（6.5米）和MMT（6.5米）四台望远镜上的少许观测夜内进行观测。这对中国望远镜观测资源严重不足的问题起到了一定程度的缓解作用，但无法从根本上解决这一问题。中国天文急需大口径、配备现代科学仪器的、精测型、通用望远镜。 2.1.2中国巡天光学红外望远镜 中国已有、在建和“十二五”规划的大型光学望远镜均是巡天型望远镜，而不是精测型望远镜。按照天文观测研究的客观规律，它们都需要大口径的精测望远镜的有效配合，以更大程度地发挥其科学效益。例如：国家发改委“九五”国家重大科技基础设施项目LAMOST，主要用于光谱巡天观测，一期的五年光谱巡天即将结束，已获得几百万恒星光谱和恒星参数。未来五年的二期光谱巡天，LAMOST将拓展中分辨光谱观测模式，继续进行具有特色优势的光谱巡天观测。 3 中国空间站巡天望远镜正在研制过程中（China Space Station Telescope，简称CSST），计划2022年前后发射，口径2米，主要用于开展大规模多色成像与无缝光谱巡天的工作。 中国南极昆仑站天文台是国家发改委“十二五”重大科技基础设施规划项目，其中一项计划是在昆仑站建造一台口径2.5米的大视场光学红外成像巡天望远镜（KDUST），巡天波段为400-1000纳米。不论是LAMOST、CSST和KDUST均是巡天望远镜，三者的结合覆盖了很多国内对巡天观测的科学需求。再把LOT建造成专用的巡天望远镜是重复布局。相反，LOT更应该是一架通用的精测型望远镜。LOT不仅本身具备强大的精测能力可取得重大发现，而且与这些巡天望远镜强强联合，形成强大的光学红外观测平台，更大地发挥LOT以及这些巡天望远镜的科学优势和影响力，对新现象和新科学实现从发现到认证的全过程，达到“1+12”的效果。例如，具有光谱功能和足够灵敏度的LOT能为CSST的无缝光谱巡天提供更准确的红移定标，可显著增加CSST的科学产出和影响力。 2.1.3 LOT建成后的国际环境 在LOT建成时，国际上有很多大型巡天项目已完成、在研制或即将进行（如LSST、MSE、PFS、WFIRST、UCLID等）。这些巡天将释放大量的观测数据。相比之下，能用于对这些巡天做精细跟踪观测的大口径望远镜资源却不多。因此，这样的国际环境也要求LOT更应该是一架通用的精测型望远镜。2.2 中国天文光学红外学界 由于光学天文是发展最早、最成熟的波段，光学天文包括的科学课题很广泛。同样，中国的光学红外天文学界也拥有丰富多样的科学需求和兴趣，涉及行星、恒星、星系、宇宙学等很多方面。这样的多样性科学需求也要求LOT是一个通用型的、可配备不同科学仪器进行不同类型观测的望远镜。4 过去的十年，中国的光学红外天文学界由于国内外大量增加的公开天文数据而迅速增长起来。但学界整体而言还比较分散，远远没有达到成熟的状态。拥有真正的观测和处理原始观测数据经验的天文学家还不是很多（国内外公开的天文数据很多都是处理好的），对大型望远镜的观测和数据处理经验的缺乏尤甚。在望远镜和科学仪器建造以及大型天文项目现代化管理方面的人才也很缺乏。这些现状都对LOT项目提出了很强的约束（例如，要求LOT最好使用成熟的已经被验证过的技术）。中国的光学红外天文学界有很强的潜力成长为国际一流的群体，但没有像LOT这样的大型望远镜作为平台，这样的潜力很难得到发挥和成长。因此，我们强烈地需要一架通用型的光学望远镜。2.3 LOT项目本身的约束条件 LOT项目本身是非常有挑战性的。它要求在有限的时间内（5-6年），有限的经费支持下（总数约18亿，包括望远镜、圆顶、基地、三台科学仪器等），在海拔超过5000米的高原上完成建成时的国际上最大口径的望远镜。其中高海拔是非常现实、苛刻并且是必须要面对的困难。这对经费和时间都增加了额外的难度。因此这些都要求望远镜和科学仪器从设计到建造必须采用成熟可靠的技术，而且应尽可能地简单。另外，中国在可预见的未来可能也无法获得有足够灵敏度的红外探测器，因此首光仪器及其科学的考虑应当以光学为主。2.3.1 LOT的预算 LOT项目的总预算大约为19亿人民币。这包括望远镜的设计和建造、圆顶、基地、三台科学仪器等。下表列出大致的分项预算：建设内容 预算（亿人民币） 占总数百分比 子项 总项 望远镜 主光学系统 结构 镜子 主动光学控制系统 望远镜、仪器控制系统 0.29 1.41 3.98 1.77 0.85 8.31