周围环境发生了哪些变化?不管我们承认与否,我们确实想要了解一切事物。但对于所有人 类和整个地球而言,问题是:银河系正发生哪些变化?令人惊讶的是,我们对此知之甚少,因为我们真的很难从细节中看见整体。然而,英国天文学家发起的 MOONS 项目旨在改变之一现状。FAULHABER 的技术将为此发挥重要作用。

 

MO33 Galaxy © eso.org


缺乏银河系相关知识
提及探索我们赖以生存的圆盘状螺旋星系时,天文学 家通常会提出一个基本问题:虽然地球不在银河系正中间,但它仍然位于银河系的盘状平面上。因此,如果想从 地球这个有利角度看到银河系中心,甚至看到银河系另一 边,视野无疑会被无数的恒星挡住。站在地球上观测时,很难甚至无法确定所观测事物在银盘中的位置。对于银河 系,我们知之甚少的一个区域是银河系中心的致密区,在 这里,无数恒星和气体云聚集在一个假定的黑洞周围。但是即将开展的一个重大天文学项目将帮助填补许多 相关知识空白。来自多个国家的八个研究所参与了这个 项目。该项目由欧洲南方天文台(ESO)发起。这个科 学组织正在智利阿塔卡马沙漠运营一些世界上最强大的 望远镜。这些望远镜包括帕拉那尔天文台的甚大望远镜 (VLT),该望远镜口径为 8.2 米。该项目旨在为 VLT 装备一种新的仪器,用于捕捉来自太 空的光信号。上述仪器是一种光谱仪,能够同时捕捉落入 光谱可见光和红外光范围的大量宇宙天体。其缩写名称即 为项目名称:多目标光学和近红外光谱仪,MOONS。其 由苏格兰首府爱丁堡的英国天文学科技中心(UK ATC)协调。

 

VLT DWG MON © eso.org


光谱而非照片
“使用高质量照相机时,你可以更换相机镜头。但使 用天文望远镜时,情况正好相反–VLT 配有优质镜片,我们只需用我们的 MOONS 取代目前连接的“照相机” 即可,UK ATC 的科学家 William Taylor 博士解释道。凭 借新技术,MOONS 在观测太空方面开辟了全新的可能 性,尽管它不会生成传统意义上的大尺寸图像,只会捕 捉微小细节。它的工作方式如下:与以往的天文望远镜类似,VLT 的 巨大镜片和反射镜指向待观测的太空部分。让 MOONS 的 1001 根光纤末端与待观测宇宙区域内的单个天体对齐。这款新仪器并不像照相机一样捕捉整个选定区域,而是让 光纤对准宇宙中的某些点上。甚至也不只是拍摄这些点,而是通过棱镜将其光线分成单独的部分,即不同的波长。Taylor 博士解释道:“从科学角度讲,这种方法产生 的信息比图像多得多。”“例如,我们可以了解天体的 化学成分。此外,这允许我们计算其动力学,即运动的 速度和方向。由于 MOONS 可以捕捉近红外光谱,因此我 们可以精确地分析从遥远天体传到我们这里的光所经历 的红移。”当一颗恒星远离地球时,其光波长会变长。 这就是部分可见光转移到不可见红外光范围的方式,该 范围仍然接近可见光谱。

 

Moons at VLT © eso.org


视野中有数千个天体
先前技术允许单独观测最多约 100 个天体,并且只能 在可见光范围内观测。MOONS 不仅把这个数字提升了 10 倍,而且也进一步增加了信息的深度。在银河系中,这不仅能让我们更精确地观测到细节,还能更清晰地看 到整个观测环境。“这个项目的一个目标是创建一张银河系的 3D 地图,让某种 GPS 能在整个银河系中进行导航。MOONS 的分辨率极高,能让我们观测到非常遥远的事物,也能让我们 追溯很久以前发生的事情。我们或许能够触及在几亿年 内发生的大爆炸的成因。”这有助于让科学家探索宇宙 的初创期。Taylor 博士说,虽然在当今时代,探索宇宙 初创期在某种程度上已成为可能,但是 MOONS 能为我们 提供更加清晰、详细的图像。“我们能以前所未有的深度 绘制宇宙的地图。” 天文学家的目标是在大约五年的时间里探索几百万个 天体。为了达到这一目标,这台光谱仪的 1001 根光纤必 须快速且大部分自动指向宇宙天体。这可以通过相同数 量的光纤定位单元(FPU)实现。每个 FPU 都有两个步 进电机驱动单元,安装在回差缩减直齿轮减速箱上。后 面的驱动单元可以推动 FPU 的中心轴(α)。偏心安装 在 FPU 上的前电机减速箱驱动单元(β)同时推动光纤 尖端。两个轴向运动的结合可以让每个 FPU 覆盖一个圆 形区域,在该区域内可以随机对齐光纤。该区域与相邻 FPU 的区域部分重叠。这意味着可以控制捕捉区内的每 个点。为了满足定位重复性方面的挑战性要求(这是避 免 FPU 尖端之间碰撞的必要条件),驱动系统解决方案 必须极其精确。为了确保所需的精度并避免 FPU 尖端之间 的碰撞,系统必须以高重复性运行。高质量步进电机源自 FAULHABER PRECISTEP;FAULHABER Minimotor 的零回 差减速箱有助于提高定位精度。FAULHABER 子公司 mps 负 责模块的机械设计。

 

FPU PROTO © eso.org


特制瞄准装置
“我们收到了 FAULHABER 集团所有三家参与公司提 供的非常宝贵的意见,”负责 UK ATC 的 FPU 开发工作的 Steve Watson 博士报告称。“如果没有他们提供的专业 知识,我们就不可能以这种形式开发出这个核心模块,尤其是不可能达到我们所要求的数量。除了光纤的对齐 速度之外,还必须确保对齐非常精确。我们实现了 0.2 度 的精度和低至 20 微米的定位可再现性。考虑到 FPU 的长 度和模块化设计,这些数据都表明取得了良好的成果。此外,这些单元始终与焦面板适当对齐,而模块也适当 布置在焦面板上的所有适当位置。” 部件的高精度和极高可靠性使控制程序操作简单,这 是完美运行光谱仪的另一个要求。复杂的电子元件和控 制逻辑将严重阻碍 1001 个单元的快速同步控制。由于部件的高质量,通过简单的开环控制可以实现精确对齐。 该技术必须非常健全,几乎不需要维护,以便在计划的 10 年系统使用寿命内不间断地执行其任务。项目经理 Alasdair Fairley 博士表示已经克服了这些技 术问题:“我们在 MOONS 上取得了良好的进展,预计能 在 2021 年夏天安装光谱仪。调试大约需要半年的时间,因此我们可能会在 2022 年初开始绘制宇宙地图。我们相 信,未来十年,FPU 将保持全面运行,无需维护。”