中国SONG项目高分辨光谱仪与高精度恒星震动视向速度测量
闫正洲1,2,5, 邓李才1, 张春光1, 罗常青1, GrundahlF3, 胡中文4, 季杭馨4, 王家宁4, 徐明明4, 戴松星4, AndersenMF3, 王坤5, 田健峰1
1. 中国科学院国家天文台, 北京 100012
2. 中国科学院大学, 北京 100049
3. Aarhus University, Aarhus, Danmark
4. 中国科学院国家天文台南京天文光学与技术研究所, 江苏 南京 210042
5. 西华师范大学物理与空间学院, 四川 南充 817000

作者简介: 闫正洲, 1978年生, 中国科学院大学博士研究生 e-mail: zzyan@bao.ac.cn

摘要

中国SONG项目(Stellar Observations Network Group)是中国天文界参与的一个国际合作的天文学研究计划。 其核心是利用高分辩光谱仪获取恒星的时序光谱。 光谱仪的分辨率根据科学目标的要求, 用不同的狭缝宽度实现 R=60 000~120 000。 利用碘蒸汽发射线定标的方法, 实现高达1 m·s-1的视向速度测量精度, 以此测量恒星表面由于恒星震动产生的多普勒运动, 并实现项目的科学目标。 SONG光谱仪是项目的核心设备, 将介绍光谱仪的性能和天体物理应用的参数, 并给出实际测量结果。 作为一个测量恒星表面多普勒运动时序数据的仪器, 整个系统的长期稳定性是项目取得成功的关键, 在此也将展示仪器稳定性方面的工作。

关键词: 高分辩光谱仪; 高精度视向速度测量
中图分类号:P111 文献标志码:A
SONG-China Project High Resolution Spectrograph and High Precision Radial Velocity Measurements of Asteroseismology
YAN Zheng-zhou1,2,5, DENG Li-cai1, ZHANG Chun-guang1, LUO Chang-qing1, Grundahl F3, HU Zhong-wen4, JI Hang-xin4, WANG Jia-ning4, XU Ming-ming4, DAI Song-xing4, Andersen M F3, WANG Kun5, TIAN Jian-feng1
1. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. Aarhus University, Aarhus, Danmark
4. Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China;
5. China West Normal University, Nanchong 817000, China
Abstract

SONG (Stellar Observations Network Group) is an international collaboration project involving many countries. Chinese stellar physics community is participating the project as a national member, contributing a full set of instruments and a site. The key instrument is a high resolution spectrograph which, when adopting iodine cell for wave length calibration, can deliver radial velocity measurements at an accuracy of 1 m·s-1. Such a high accuracy together with the long term stability is the keys to the science goals of SONG, one of which is to study the internal structure of stars directly using the technique of Asteroseismology. In this paper, we are going to present the design, parameters and performance of the spectrograph by using spectra taken during the commissioning of the system. As long term thermo-mechanic stability of the system is extremely important for the science goals, we will also describe the laboratory environments to realize such a condition.

Keyword: High resolution spectrograph; High precision radial velocity measurements

引 言

近些年, Kepler等空间项目的成功给星震学研究带来了革命性的发展。 空间望远镜可以实现高精度的连续观测, 之前的地面观测只探测到了很少的类太阳震动, 而Kepler则在数千颗恒星中探测到了类太阳震动。

Kepler等采用白光强度(测光)观测, 主要敏感于由恒星振动引起的温度变化, 米粒组织会给观测造成较高的背景噪声。 而光谱观测则对于视向速度的变化最为敏感, 其信噪比高于测光观测, 可以在更高的精度, 更低的频率探测恒星振动。 另外, 即便是空间测光观测也很难探测到l=3的恒星振动, 利用视向速度却易于探测到l=3的恒星振动模式, 而更多的振动模式会带给我们关于恒星内部结构的更多信息, 这是视向速度观测另一优势。

目前用于星震学研究的高分辨率光谱观测只能靠地基望远镜获得。 探测恒星的类太阳震动需要长时序的高精度视向速度观测, 要从已有的符合观测精度要求的少数望远镜中获得足够的连续观测时间是一件非常困难的事情。 因此, 专用的望远镜观测网络是解决这一问题的最佳方案。

SONG项目正是这样的一个星震学观测网络。 其目标是在南北半球各建立四台配备相同的终端设备的全自动高性能1米望远镜系统, 按一定经度间隔分布, 组成长时序视向速度联合观测网, 充分利用光谱观测的优势获得所需要的精度, 并由多台望远镜连续观测以获得不间断的观测数据, 这样可以以较低的经费投入获得超越所有正在运行和计划中的地面和空间观测设备所能达到的观测精度, 对恒星物理学的基础提供严格的检验。

国际SONG项目由丹麦发起, 以中国科学院国家天文台为首的合作单位于2009年正式加入, 成立了中国SONG项目, 承担国际SONG项目中国节点望远镜与终端仪器的建设工作。

SONG项目最重要的科学目标是利用视向速度研究恒星的类太阳振动。 其核心设备之一是一台高分辨率阶梯光栅光谱仪, 要求观测精度能达到m· s-1的量级。 对于不同的狭缝, 要求光谱分辨率达到35 000~120 000。 国际SONG计划对观测系统的要求是对于Ⅴ 星等为0的目标, 每分钟视向速度观测的精度优于1 m· s-1; Ⅴ 星等为6等的目标, 每分钟视向速度观测的精度优于10 m· s-1

根据科学目标, 在中国SONG项目台址视宁度等观测条件下, 光谱仪对目标星视向速度测量精度应好于3 m· s-1。 同时, 全系统要求满足网络自动观测调度的需求, 硬件必须具备高可靠性和无人值守的自动观测基本条件。

本文从光谱仪设计、 控制方案、 稳定性保障等方面对中国SONG项目高分辨率光谱仪进行介绍, 然后根据试观测的数据对该光谱仪进行性能分析, 最后部分是总结与讨论。

1 光谱仪设计与实现

如图1所示, 中国SONG项目1 m望远镜采用卡塞格林系统, 系统焦比37, 具备两个耐施密斯焦点, 在其中一个焦点通过转轮将光路切换至幸运相机、 库德光路、 或夏克— 哈德曼系统, 分时实现幸运成像和高精度光谱观测。

图1 中国SONG系统结构Fig.1 Overview of China-SONG Project

为了保证高精度的视向速度测量, 必须使用高分辨率、 高精度光谱仪。 根据欧洲南方天文台已有的观测经验, SONG高分辨光谱仪采用类似于极紫外及可视光栅光谱仪(ultraviolet and visual echelle spectrograph, UVES)和高精度系外行星搜索项目(high accuracy radial velocity planet searcher, HARPS )所使用的光谱仪结构, 经典的交叉色散、 白瞳、 中阶光栅光谱仪。 光谱仪基本参数及技术指标如表1所示。

表1 中国SONG高分辨光谱仪技术指标 Table 1 Parameters and performance of China-SONG spectrograph

光谱仪包括缝前装置和本体结构两部分。 其中光谱仪缝前装置包含定标系统、 监测系统和稳像控制系统。 其中, 定标系统包含碘盒、 平场灯和定标灯(ThAr); 监测系统包含: 望远镜焦点监测、 导星监测、 望远镜光瞳监测控制系统和狭缝监测系统; 稳像控制系统包含: 2套高精度稳像Tip-tilt系统。 如图2所示。

图2 光谱仪缝前装置结构图Fig.2 Structure of pre-slit optical table

本体结构包括光谱仪光学系统和CCD照相机等部分。 为了实现极高的时间稳定性, 整个光谱仪系统采用了高精度的温度控制系统, 缝前焦面监视和调整系统、 星像稳定系统等措施。

1.1 光学系统

1.1.1 光学设计

光谱仪的光学系统采用已在多个项目中成功应用, 适合高分辨、 高效率光谱仪最经典的白瞳设计。 如图3所示, 包括一个阶梯光栅, 两面准直镜, 三面平面折转镜, 一个横向色散棱镜, 相机系统和CCD探测器构成。

图3 光谱仪光路结构Fig.3 Light path of spectrograph

来自无穷远的星光通过望远镜和库德光路后, 从第七镜(M7)反射进入缝前平台, 然后通过平面镜引入光谱仪本体。 通过狭缝的光线通过入口较高平面折转镜, 一个横向色散棱镜, 一组一个小的折转平面镜反射到离轴抛物面准直镜上, 经过准直的光束投射到R4衍射光栅上, 色散之后的光返回准直镜, 重新聚焦后落到狭缝附近的第二折转镜上。 该镜将光束反射到第二准直镜, 经过第三面平面折转镜将光束投向横向色散棱镜, 经多片高透过率聚焦透镜组后到CCD探测器。

1.2 稳定性

光谱仪的稳定性对于视向速度测量的精度影响很大, 而振动和温度变化是影响光谱仪稳定性的重要因素。

1.2.1 机械稳定性

为保证光谱仪的机械稳定性, 减少环境振动等外界因素对光谱仪的影响, 光谱仪整体以钢制的支柱放置于混凝土基墩上, 基墩上预制钢板, 其基础与整个建筑基础隔离。 混凝土使用苯板保护, 在苯板外侧铺设2米厚的砾石用于吸收外部传递的振动。 在圆顶全速工作时, 使用加速度测试仪测量基墩表面振动, 测试仪无读数。 光谱仪系统装于大理石光学平台上, 大理石平台通过钢制光学平台、 气浮隔振平台与支柱连接, 尽可能的降低外界振动的影响。

1.2.2 热稳定性

当系统温度不稳定时, 光谱仪光学、 机械结构将会发生热弹性形变, 导致系统镜面发生面形变化和刚体位移, 同时温度变化还会影响空气和棱镜折射率, 造成像面上各波长主光线成像位置发生变化, 产生谱线漂移, 由此产生观测误差。 由于系统采用碘蒸汽定标的方式进行观测, 也需要对碘盒内温度进行精确控制。

德令哈观测站季节性温差大, 在站测得最低气温为-31 ℃, 最高气温27 ℃, 若室内保持25 ℃恒温, 冬季室内外温差可达50 ℃以上。 为了将系统温度变化控制在可接受的范围, 对光谱仪温度控制采用三层控制。 第一层对光谱仪室做内墙保温, 使用低热传导率(0.018~0.024 w· (m· k)-1)的聚氨酯夹心板与外界隔离, 采用智能温控电地暖加热, 在地面及光谱仪等高的位置安装多个传感器, 经测试, 可使室内温度控制精度达到± 1 ℃以内。 第二、 三层温度控制如图4所示, 第二层保温室是比光谱仪略大的保温房, 除防尘外, 可使温度控制精度在± 0.5 ℃以内, 第三层保温房是光谱仪本体保温。

图4 光谱仪保温结构Fig.4 Insulation construction

光谱仪本体聚氨酯板与外界隔离, 内部采用多点温度监控, 辅助加热实现闭环主动温度控制。 CCD、 快门与光谱仪本体之间做绝热隔离, CCD制冷产生的热量使用水浴循环系统在室外排放。 温度控制使用美国Lake Shore公司model 336控制器, 控制模式为PID闭环控制, 采样周期选择3s, 经长期测试, 对系统内部温度控制精度可达± 0.025 ℃。

1.3 控制系统

从观测角度而言, 控制系统是实现光谱仪各部件切换和工作控制的基础, 其控制方式主要为运动控制。 如图5所示, 从硬件上看, 中国SONG光谱仪的控制系统功能包括: 光谱仪输入光源切换; 碘盒移入(出)光路; 通过半反半透镜为光瞳控制、 导星控制提供前端信号; 为望远镜焦点监测提供信号; 狭缝、 快门、 CCD控制。

本光谱仪系统包括Coude焦点仪器和高色散光谱仪等二个部分, 安装有6个电机, 选用瑞士Maxon公司直流电机、 码盘、 行星齿轮。 硬件部件还包括服务器、 工控机, DMC-4060运动控制卡, I/O卡, 机柜、 功率可调稳压电源(Ⅰ 和Ⅱ )机箱、 远程控制机箱、 PDU网络控制电源等。

系统使用德国AVT公司工业CCD相机进行狭缝和焦点监视, DMC-4060运动控制卡做为运动控制部件精确控制伺服电机运动, 进行狭缝切换、 焦点修正以及滤光轮、 缝前装置、 碘盒和定标镜等装置的移动控制。 运动控制卡和工业CCD相机连接到以太网, 可以接受本地控制计算机、 远程调度双重控制。 为实现远程控制, 包括平场灯、 定标灯、 pupil CCD、 slit CCD、 Andor CCD、 Tip-tilt控制器、 碘盒控制器、 DMC-4060运动卡、 精密温度控制器、 快门等部件的电源均使用网络管理电源模块控制。

基于系统稳定性和可扩展性, 操作系统为Debian Linux, 使用虚拟机守护不同客户端程序, 控制系统使用客户端/服务器(C/S)模式, 开发工具为Python。 服务端程序安装于主机和服务端虚拟机, 客户端程序安装于观测虚拟机。 在安装调试状态, 可通过终端命令控制光谱仪; 在正常工作状态, 系统通过Python脚本自动控制定标谱、 目标谱拍摄, 系统可在无人值守下完成天文学家观测需求。

图5 光谱仪控制功能图Fig.5 Spectrograph control functions

2 光谱仪性能

在试观测中, SONG项目1米望远镜通过连接在库德焦点的高分辨光谱仪, 成功地获取了紫微左垣七(γ Cephei, V=3.21)的短时序光谱, 这颗红巨星双星是作为科学目标候选源, 其主星具有较大振幅的震动, 并含有一颗周期为900天的系外行星。

观测时使用脚本控制, 自动拍摄本底、 平场, 以及钍氩灯(ThAr)定标谱, 对目标星曝光时间为120秒。 图6为试观测时截取的一段高分辨的光谱, R=80 000, S/N=140, 视向速度精度约为3 m· s-1。 叠加的绿色实线是大角(Arcturus)的高分辨标准光谱。

图6 γ Cephei部分光谱
绿色实线是大角(Arcturus)标准光谱
Fig.6 A part of γ Cephei spectra
The green line is standard spectra of Arcturus

图7为选取当晚拍摄光谱中抽取的1 355条谱线的分析结果, 我们可以看出此光谱仪中值分辨率为119 534, 平均色散为0.022, 符合设计要求。 图8为不同区域谱线分辨率的分析结果, 从图中可以看出分辨率和色散具有区域差异, 其中谱线分辨率左下角较低, 右上角较高, 而色散右下角较低, 左上角较高。

图7 分辨率统计Fig.7 Resolution statistics

图8 分辨率分布统计Fig.8 Resolution distribute statistics

3 结 论

高分辨光谱测量是高精度恒星震动视向速度测量的重要手段, 高分辨光谱仪作为中国SONG项目中最重要的终端设备, 已完成安装工作, 2015年底进入试观测阶段。 已有的观测数据分析表明, 该光谱仪主要参数已达到设计目标。 望远镜及其附属设备设置了极高的性能参数, 使用了大量的新技术, 实现稳定的技术指标尚需要进行精细调试。 期望在2016年度内完成最后的调试工作。 一旦投入科学运行, 这将是我国在恒星物理研究领域内获取国际水平科学成果的利器。

致谢: 感谢中国科学院紫金山天文台青海观测站提供的各种基础条件和协助。 感谢站内各位同事在设备安装调试期间的配合。 本项目是在中国科学院修购项目连续资助下完成的。

The authors have declared that no competing interests exist.

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