6.5m宽视场巡天望远镜光学系统设计

近日，清华大学精仪系和天文系联合领导的技术团队，联合国际、国内专家，在6.5m宽视场巡天望远镜（Multiplexed survey telescope，MUST）的概念设计方面取得重要突破。该望远镜设计采用里奇-克莱琴结构，结合五片超大口径透镜组成的改正镜组，将实现具备世界领先的巡天效率和高质量光谱信息探测。

该研究成果近日以“6.5m宽视场光谱巡天望远镜（MUST）光学系统概念设计”（Conceptual Design of the Optical System of the 6.5m Wide Field MUltiplexed Survey Telescope with Excellent Image Quality）为题发表于国际著名光学刊物《光子X》（PhotoniX）。

天文学、天体物理学是研究宇宙空间天体、宇宙结构和发展的科学，它跟所有自然科学一样是一门实验科学，望远镜就是最重要的实验观测设备之一。天文学正以前所未有的速度发展，近十年来，天文发现多次荣获了诺贝尔物理学奖，但仍有许多关于宇宙本质的前沿问题亟待解决。当前，各国正在筹建新一代大型天文观测设备。然而，这些设备缺乏后续的光谱后随巡天。光谱观测包括的红移、视向速度、化学成分、星族构成和运动学性质等物理参数是图像观测难以得到的信息。因此，多目标光谱望远镜可以在数十年里保持竞争力和高产出，并且得到新的海量光数据，有望获得重大新物理发现。在2022年夏季结束的国际高能物理学界的Snowmass2021学术规划讨论中，宇宙前沿（Cosmic Frontier）的报告中已明确指出：宇宙学的发现和未来对暗能量、暗物质的探索迫切地需要第五代宽视场光谱巡天。基于对中大型光谱巡天望远镜的急切需求，清华大学提出研制国际领先的、首个第五代宽视场光谱巡天望远镜，并将建设在中国青海省海西州冷湖赛什腾山台址。

图1. MUST的概念设计示意图

清华大学MUST项目团队，依托清华大学天文技术中心，在清华大学精密仪器系和天文系的领导下，联合华盛顿卡内基研究所卡内基天文台、南京大学天文与空间科学学院、南京大学现代天文学和天体物理学重点实验室等国内外科研机构与专家，共同完成了MUST光学系统的概念设计（如图1所示）。设计完成的MUST光学系统如图2所示，其中主镜采用6.5m直径的蜂窝状轻质单镜；副镜采用2.4m直径的凸双曲面镜，与凹双曲面主镜组合，构成基本的里奇-克莱琴望远镜光学系统；系统设计焦比为F/3.6，总焦距为23323mm，可有效消除焦平面上的球差和彗差。与主镜和副镜一起，五透镜的宽视场校正镜组设计可以通过补偿大气色散和波前像差来提高图像质量。天体发出的0.365μm到1.100μm波段的光线通过光学系统后被焦面多达20000根光纤同步接收，传输至后端中高分辨光谱仪获取丰富的光谱信息。

通过该光学系统，可以实现优越的成像质量。如图3所示，0度天顶角时，MUST全视场内的RMS弥散斑半径均优于21.1μm，系统像差得到有效控制。随着观测天顶角的增加，在最大50°天顶角下，RMS弥散斑半径仍可精确控制优于22.3μm、且视场中心RMS弥散斑半径优于16.6μm，这展示了所设计的光学系统具备良好的大气色散校正能力。在整个7平方度视场范围和50°天顶角的巡天区域内，80%环绕能量直径均小于0.51角秒、且最小值达0.36角秒，可实现与终端光纤探测阵列的精准匹配。除此之外，论文还分别介绍了光学系统在热效应和公差分析下的稳定性，全面展现了该光学系统设计的优越性。

图2.(a) MUST光学系统，其中M1为6.5米主镜、M2为2.4米副镜。(b) WFC由透镜L1~L5组成。L1的背面(L1-B)、L2的正面(L2-F)、L3的正面(L3-F)、L5的背面(L5-B)为非球面

图3.(a)-(c)MUST朝向0°、30°和50°天顶角方向。(d)-(f)不同天顶角下3°视场范围内的光斑图案。图中参考圆的尺寸为150μm（相当于1.3角秒）。(g)-(i)在不同天顶角下各视场光斑的RMS半径。(j)-(l)在不同天顶角下整个3°视场中的RMS光斑半径分布。(m)-(o)在不同天顶角下环绕能量曲线。(p)不同天顶角下80%环绕能量直径随视场变化曲线。(q)不同天顶角下未渐晕光线比随视场变化曲线。(r)不同天顶角下的最大畸变

设计完成的MUST望远镜光学口径达6.5米、视场7平方度、光纤数20000以上、光谱覆盖0.365–1.10μm，其获取光谱的能力是国际上目前同类设备的10倍以上，正处于目前国际天文望远镜参数空间的重大空白，将有望在暗能量和暗物质本质、引力波、宇宙学、系外行星和星系形成等前沿科学方向上取得重大基础性、原创性突破。 论文第一作者为清华大学精密仪器系2021级博士研究生张艺凡，通讯作者为清华大学精密仪器系黄磊教授，清华大学天文系姜海娇副研究员、蔡峥副教授为论文共同通讯作者。相关研究工作得到科技部“十四五”国家重点研发计划、清华大学2030创新行动计划、清华大学教育基金会、江阴-清华创新行动专项、青海“昆仑英才”计划等支持。

编辑：黄飞