我國自主研製的近紅外天光背景測量儀在南極投入運行

最新 02-23

紅外觀測是天文研究的重要手段。長期以來，我國紅外天文研究發展受限於優良台址和探測器的缺乏。隨著近年來我國天文研究領域的不斷擴展，中國天文界擁有紅外天文觀測能力的願望也更加迫切。近期我國多項大型光學紅外天文觀測設備項目獲得天文界支持，包括正在推進的12米光學/紅外望遠鏡LOT(Large Optical/Infrared Telescope)，南極2.5米光學/紅外望遠鏡KDUST (Kunlun Dark universe Survey Telescope)，南京大學2.5米日夜兼用望遠鏡和北京大學6米光學/紅外望遠鏡等，紅外觀測設備都是主要備選終端。為了保證這些大型設備建設成功後，順利高效地開展紅外觀測儀器的研製和紅外天文的觀測研究，必須對相關候選站址進行紅外天光背景的測量。在紅外波段的天光背景輻射強度很大程度上限制著紅外望遠鏡及其他觀測設備的一些重要性能，如巡天深度、能夠觀測的極限星等、天文成像系統曝光時間等。當地近紅外背景輻射平均強度和變化參數等是評估一個候選台址是否適合建設相應設備的重要參考依據。因此需要對國內主要觀測台站如西藏阿里、新疆慕士塔格、四川稻城以及南極崑崙站進行長期測量並獲得相關測量數據。

由中國科學技術大學近代物理系核探測與核電子學國家重點實驗室副教授王堅帶領的團隊聯合天文系副教授朱青峰、中國極地研究中心天文學研究室，從2015年12月開始開展近紅外天光背景測量儀的研製工作，根據不同紅外探測器的特點，進行了多個版本的設計和測試，解決了微弱信號探測、高增益靈敏放大、暗流及背景雜訊抑制等關鍵技術，首先在2016年基於InSb探測器完成了J，H，K波段的近紅外天光背景測量儀，並完成了實驗室樓頂測試。相關成果發表在國際雜誌Review of Scientific Instruments上。

由於InSb探測器需要深度製冷，儀器的功耗和體積比較大，對於野外觀測非常不利，根據InGaAs探測器在J，H，K波段上的探測優勢，在2017年基於InGaAs探測器完成面向南極的近紅外天光背景測量儀，並於2017年7月在西藏阿里觀測站進行了試觀測，獲得首批阿里的近紅外天光背景數據，數據顯示夏季阿里在晴朗夜間的近紅外天光背景強度微弱，同時驗證了設備的穩定性和長期監測運行的能力，如圖2所示。相關成果發表在國際天文儀器刊物JATIS(Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems)上。

在此基礎上，2018年針對南極極低溫度、高海拔、低氣壓（崑崙站極夜情況下平均溫度-60度，最低溫度-86度，海拔4087米，氣壓為0.5個大氣壓）、電力困難等極端條件，對紅外天光背景測量儀的光學、低雜訊讀出電子學、結構和電控、自動觀測等進行了相應改進，並於2018年11月隨「雪龍」號科考船前往南極，2019年1月23日在南極崑崙站安裝成功並投入運行。

該工作獲得中國科大創新團隊培育基金、重要方向培育基金、國家自然科學基金委的資助。