中國麗江積分視場光譜儀

劉辰旭　郝蕾

中國麗江積分視場光譜儀是我國第一個積分視場光譜儀，作為終端設(shè)備安裝在云南麗江2.4米光學(xué)望遠鏡上。該設(shè)備的成功安裝可以有效地提高我國現(xiàn)有望遠鏡的天文光學(xué)光譜觀測能力，將提升我國在展源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)等方面的研究能力。

2015年12月12日，中國麗江積分視場光譜儀（China Lijiang Integral Field Unit，CHILI）在云南麗江2.4米望遠鏡上安裝完成，這是中國首臺積分視場光譜儀。盡管當晚天空云量很多，并不適宜觀測，CHILI仍成功觀測到一顆標準星。

積分視場光譜儀（integral field unit，IFU）可以通過一次曝光觀測到展源（星系、星團等）在二維投影平面上不同位置的光譜，這對天文學(xué)家研究星系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征等都十分重要。展源內(nèi)部的每一個空間像素點，對應(yīng)一根光纖，收集到的光傳輸?shù)胶蠖斯庾V儀，色散裝置將每個空間像素點色散成一條獨立的光譜，因此通過IFU觀測星系可以同時得到二維的圖像信息和一維的光譜信息，從而實現(xiàn)對星系的三維觀測。

CHILl的技術(shù)特點

CHILI安裝在中國麗江高美谷24米望遠鏡上，有494根光纖，光譜波長覆蓋范圍從350納米到720納米，具有非常大的觀測視場，視場大小為71角秒x65角秒。光纖前段配備了微透鏡陣列，使視場填充率達到近100%。

CHILI項目由中國科學(xué)院上海天文臺同美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校麥克唐納天文臺（McDonaldObservatory）合作完成。麥克唐納天文臺正在為其10米霍比-埃伯利望遠鏡（Hobby-EberlyTelescope，HET）安裝由75對IFU單元組成的大型積分視場光譜儀（Visible Integral-Field ReplicableUnit Spectrographs，VIRUS），該項目旨在進行高紅移暗能量巡天。為驗證VIRUS的可行性，早在2006年麥克唐納天文臺就首先建設(shè)了其中的一個單元IFU，即VIRUS-P。CHILI便由一對VIRUS單元改造而來，因此它相當于兩個VIRUS-P。

CHILI利用了VIRUS項目成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，大大縮短了建設(shè)周期。在硬件方面，從合同簽訂到運到云南麗江2.4米望遠鏡圓頂只花了一年時間。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的工程師對光纖的收放，微透鏡陣列的設(shè)計和實驗都非常熟悉，并且在硬件運輸?shù)街袊熬涂梢蕴崆斑M行測試。在軟件方面，因為VIRUS已經(jīng)有非常成熟的處理光譜的程序，因此可以在硬件準備、安裝、測試的同時做相應(yīng)的軟件準備工作，保證CHILI一旦開始觀測，后期的數(shù)據(jù)處理便可以立即展開。同時，上海天文臺的郝蕾已經(jīng)利用VIRUS-P開展了一系列科研工作，課題涉及活動星系核的燃料供給和反饋機制，側(cè)向星系縱向的電離氣體動力學(xué)特征等，這有利于CHILI觀測任務(wù)的設(shè)計和進行。

當然，CHILI并非VIRUS一對單元的純粹拷貝。首先，CHILI具有近100%的視場填充率。工程上，裸光纖的排布難免會因為光纖和光纖之間的空隙而不能完整地覆蓋整個視場，因此VIRUS.P的視場填充率只有1/3，需要三次曝光疊加才能完整地觀測一整塊視場。CHILI在光纖束前端配備了微透鏡陣列，使得平行光可以透過每一個微透鏡相應(yīng)地聚焦到每一根光纖上，從而實現(xiàn)了近100%的視場填充率。觀測一塊視場天區(qū)，CHILI比VIRUS-P節(jié)約了2/3的時間成本。其次，CHILI具有大視場。CHILI覆蓋的天區(qū)面積將可以達到115角秒×115角秒，超過VIRUS.P的100角秒×100角秒。CHILI的大視場有助于提高對低表面亮度星系探測的能力。此外，CHILI總波長覆蓋范圍比VIRUS寬。VIRUS只覆蓋了藍端光譜（350～550納米），而CHILI在此基礎(chǔ)上還增加了紅端色散裝置（460～720納米）。紅端光譜中星系的發(fā)射線非常豐富（比如氫的巴耳末僅線、氮二雙線等），對研究近鄰星系的恒星形成歷史、金屬豐度梯度、內(nèi)部動力學(xué)特征等都十分重要。

CHILI項目繼承了美國VIRUS項目在工程上的成熟技術(shù)和我國科學(xué)家在二維光譜研究領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，促使項目得以快速、高效進行。但VIRUS是針對10米大口徑望遠鏡設(shè)計的積分視場光譜儀，雖然空間分辨率高，但覆蓋視場天區(qū)小，CHILI在此基礎(chǔ)上發(fā)展了自身特點，針對麗江2.4米小口徑望遠鏡相應(yīng)地做出了一系列技術(shù)改進，使其充分發(fā)揮了大視場的優(yōu)勢，適宜觀測近鄰星系。

星系觀測的發(fā)展歷程

CHILI主要的觀測對象是近鄰星系。人類對星系的觀測可以追溯到17世紀初，有超過四百年的歷史。1608年，荷蘭眼鏡商人利珀斯海（H.Lippershey）在偶然間看見幾個小孩在玩透鏡片，由此得到啟發(fā)，發(fā)明了世界上第一臺望遠鏡，可以觀看遠處的風(fēng)景。1609年，伽利略（Galileo Galilei）將望遠鏡進行改進，并指向天空，這是人類第一架天文望遠鏡。伽利略利用他的折射式望遠鏡發(fā)現(xiàn)了天空中的銀河實際上是由許多肉眼無法分辨的和太陽一樣的恒星構(gòu)成的。1780年，赫歇爾（F.W.Herschel）設(shè)計并制造了當時最大的反射望遠鏡，鏡筒長度為12米，口徑為1.26米。通過幾十年上千次的觀測，赫歇爾兄妹初步給出了銀河系的結(jié)構(gòu)，即銀河系中恒星在天空中的分布情況。

1923年，哈勃（E.P.Hubble）利用位于威爾遜山上的2.5米望遠鏡，通過造父變星的周期一光度關(guān)系在M31“星云”中分解出了幾十個造父變星，從而發(fā)現(xiàn)M31實際上并不是一團“云”，而是一個類似于銀河系、由許許多多恒星組成的系統(tǒng)，我們稱之為河外星系。

近二十年來，對河外星系的研究得到了飛速發(fā)展，研究主要基于大型紅移巡天項目，例如世界上著名的斯隆數(shù)字化巡天（Sloan Digital SkySurvey，SDSS），以及我國近年來正在開展的郭守敬望遠鏡巡天（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope，LAMOST）。這些巡天項目提供了數(shù)以百萬計的星系圖像數(shù)據(jù)以及光譜信息。

星系的圖像可以幫助科學(xué)家對星系進行形態(tài)分類。早在1926年，哈勃根據(jù)星系有無懸臂結(jié)構(gòu)、有無棒狀結(jié)構(gòu)等性質(zhì)提出了哈勃音叉圖，將星系分類成橢圓星系、漩渦星系、透鏡星系和不規(guī)則星系。

星系的光譜可以給出許多星系更加豐富的信息，比如通過發(fā)射線的種類和強度，科學(xué)家可以知道星系的化學(xué)組分，以及金屬豐度；通過對連續(xù)譜的擬合、不同波段之間相對強弱的計算，并將其與已知的不同年齡恒星（星族）的光譜進行比對，可以估計出星系的星族構(gòu)成、恒星形成歷史、恒星形成率以及星系的質(zhì)量。

通過光譜觀測還可以測量星系與地球之間的距離。宇宙在加速膨脹，星系在以不同的速度相互遠離。星系遠離地球的速度可以通過觀測到的發(fā)射線波長相對于實驗室波長之間的差異（紅移）來測量。根據(jù)哈勃定律，通過測量天體光譜的紅移信息，即可估算出天體與地球的距離。結(jié)合大樣本星系的位置和距離信息，科學(xué)家實現(xiàn)了對宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的探索，發(fā)現(xiàn)宇宙中的星系分布不是各向均勻的。通過對宇宙結(jié)構(gòu)的探測，天文學(xué)家可以更好限制宇宙學(xué)模型，了解我們宇宙的演化歷史。

為提高觀測效率，在上述星系紅移巡天項目中，每個星系只有中心被曝光一次，得到一條光譜。這樣的巡天提供了很多以前未知星系的位置、距離、光度以及其他基本信息，是了解宇宙的第一步。若要研究星系光譜在二維投影空間上的變化，則只能通過移動望遠鏡多次在同一星系不同位置曝光來實現(xiàn)，觀測效率很低。

隨著技術(shù)的不斷進步，積分視場光譜儀應(yīng)運而生，它集成了圖像和光譜兩種處理工具。積分視場光譜儀的前端通過光纖束將星系在二維投影空間不同位置處發(fā)出的可見光輸入給后端光譜儀，然后光譜儀通過色散裝置將每個空間像素點觀測到的可見光進一步色散成一條條光譜，這樣一次曝光就實現(xiàn)了二維光譜的觀測，大大提高了觀測效率。此外，利用每條光譜的紅移信息可以算出星系在每個投影空間像素點的視向速度和距離，由此可以實現(xiàn)對星系內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征的深入研究。從長縫光譜觀測到積分光譜觀測，對宇宙中遙遠星系的認識就好像最初只能看到遠處不同距離處有很多模糊的高矮胖瘦不同的人影，隨著視線逐漸清晰，漸漸地可以看清每個人的膚色、四肢、甚至五官。

近十年來，國際上在二維光譜觀測領(lǐng)域進展飛速。國際上的各個大小望遠鏡幾乎都配備了二維光譜終端。美國、澳大利亞、歐洲都有二維光譜系列觀測項目，出現(xiàn)了一大批研究近鄰星系IFU項目：Atlas3D，CALIFA（Calar Alto Legacy Integral Field Spectroscopy Area Survey），PINGS（PMAS IFS NearbyGalaxies Survey），MaNGA（Mapping Nearby Galaxiesat APO），SAMI（Sydney-AAO Multi-object Integral-fieldSpectrograph），以及利用VIRUS-P光譜儀的VENGA（theVIRUS-P Exploration of Nearby Galaxies）、MASSIVE等。它們觀測的星系樣本從數(shù)十到一萬不等，關(guān)注的對象也覆蓋了從早型到晚型星系的多種類型。

Atlas3D視場小，CALIFA、MaNGA和SAMI等受巡天限制（因這些巡天的主要目的是獲得大樣本，因此對每個星系有嚴格的觀測時間限制或空間覆蓋的多次觀測）也很難觀測超出2倍有效半徑（Re，有效半徑指星系光度降到中心去處的半徑）的區(qū)域。MaNGA和SAMI對更大樣本的星系進行了觀測，但這兩個巡天的缺點是視場最大分別只有32角秒和15角秒，而且每個星系被覆蓋的光纖數(shù)少，因此只能以較差的空間分辨率觀測距離地球較遠的星系，而且由于巡天的限制，對星系外圍（半徑大于2Re）的觀測還是比較有限的。

和以上IFU光譜儀相比，VIRUS.P具有研究彌散電離氣體/低表面亮度區(qū)域的優(yōu)勢。VIRUS.P視場大、每根光纖大，更適合探測低表面亮度區(qū)域。

CHILl的研究課題

當前隨著國際上越來越多積分視場光譜儀的出現(xiàn)，利用二維光譜研究星系內(nèi)部的動力學(xué)特征以及其他空間可分辨的性質(zhì)特征成了十分熱門的科研前沿?，F(xiàn)在有了自己的積分視場光譜儀，我國天文學(xué)家也可以積極參與到這方面的研究工作中了。

星系的連續(xù)譜常伴有明顯的發(fā)射線和/或吸收線特征，吸收線主要形成于恒星內(nèi)部的物理過程，發(fā)射線主要由氣體產(chǎn)生，因此研究光譜的吸收和發(fā)射特征可以相應(yīng)得到恒星和氣體的一些信息。根據(jù)多普勒效應(yīng)，譜線相對實驗室波長的移動可以計算出視向速度。根據(jù)統(tǒng)計原理，測量譜線的展寬可以得到形成譜線的天體的速度彌散。因此，通過研究星系二維光譜的吸收和發(fā)射線，可以得到星系內(nèi)部恒星和氣體的空間可分辨的動力學(xué)特征。

另外，早在20世紀，天文學(xué)家們對特定初始質(zhì)量、特定年齡的恒星（星族）的演化軌跡就已經(jīng)有了非常好的了解，2000年左右，相繼有不同的課題組構(gòu)建了非常詳盡的光譜庫來描述每個星族的光譜特征。利用這些光譜庫對某一觀測光譜進行擬合，可以得到這一光譜的金屬豐度、恒星形成率、塵埃消光等參數(shù)。研究星系的二維光譜更是可以實現(xiàn)對上述性質(zhì)的空間可分辨認識，天文學(xué)家能更好地研究星系的形成和演化歷史。

在CHILI之前，我國沒有自己的積分視場光譜儀，國內(nèi)天文學(xué)家只能利用國際上公開的大樣本觀測數(shù)據(jù)或者通過各種合作途徑申請有限的國外望遠鏡觀測時間。利用大樣本巡天數(shù)據(jù)的缺點是巡天往往對單個星系的曝光時間有限，無法看到一些暗弱天體以及亮星系外圍的暗弱結(jié)構(gòu)，如此便極大地限制了我國在這些領(lǐng)域的研究進展。CHILI的成功安裝，讓我國天文學(xué)家在上述研究領(lǐng)域跨出了一大步。

宇宙中有一些星系的表面亮度非常低，是銀河系表面亮度的1/4至1/16，甚至更暗，觀測這些星系比觀測普通星系需要更長的曝光時間，科學(xué)家們稱之為低面亮度星系（low surface brightness galaxy.LSBG）。低面亮度星系在近鄰星系中的比例大約低于10%，天文學(xué)家對這類特殊星系的形成原因還不清楚，有理論猜測是暗物質(zhì)的影響，也有另外的理論猜測是大尺度環(huán)境的影響，當然也有可能是其他的一些還不為人知的機制導(dǎo)致了如此低的表面亮度。為了研究低面亮度星系的形成原因，首先應(yīng)當對這類星系各方面的性質(zhì)有深入的了解，比如低面亮度星系內(nèi)部的電離特征、速度場分布、金屬豐度梯度、恒星形成歷史等性質(zhì)，獲得這些信息需要信噪比足夠高的高質(zhì)量二維光譜，這往往需要花費十幾到二十幾小時的曝光時間，對于類似MaNGA這種國外大型近鄰星系二維光譜巡天，單個源的觀測很難達到如此時長和深度。如果對感興趣的單個低面亮度星系申請國外望遠鏡觀測時間，也很難得到二十小時左右的時長。CHILI安裝在我國云南天文臺麗江觀測站的2.4米望遠鏡上，可以滿足國內(nèi)天文學(xué)家對長曝光時間的需求，極大地促進國內(nèi)天文學(xué)家對低面亮度星系的研究。

CHILI因為具有相對較大的視場，因此在觀測星系外圍結(jié)構(gòu)以及星系的并合過程方面有很大優(yōu)勢。星系并合過程是指兩個或多個近鄰星系之間產(chǎn)生相互作用，隨著時間推移星系越來越靠近，相互作用越來越強，最終合并成一個大星系的物理過程。星系并合對星系的形成和演化起著無法忽視的作用。現(xiàn)代天文學(xué)認為，星系形成于暗物質(zhì)暈的勢井中，因此星系外圍有非常豐富的暗物質(zhì)，通過研究并合作用，可以了解星系暗物質(zhì)暈的成長歷程。在冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)框架下，物質(zhì)的聚集、星系質(zhì)量的增長依賴于一代一代的星系并合過程。并合作用同時也可以通過潮汐撕扯來促進星系外圍的冷氣體的角動量丟失，從而使外圍冷氣體向內(nèi)部星系核區(qū)掉落。星系的中心是一個超大質(zhì)量黑洞，這些失去角動量的外圍冷氣體掉進核心區(qū)域，進人中央超大質(zhì)量黑洞的引力勢范圍后便可被超大質(zhì)量黑洞捕獲，從而使中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量得以增長。冷氣體的內(nèi)流同時也可以為恒星提供燃料從而促進年輕恒星的形成，改變星系的形態(tài)結(jié)構(gòu)，使之從晚型漩渦星系變成早型橢圓星系。很多模型可以很好地模擬上述物理過程，但是其中很多具體細節(jié)則還需要大量的觀測數(shù)據(jù)來進行限制。二維光譜可以提供星系的空間可分辨的速度場和速度彌散分布情況，這對研究星系并合過程中氣體的行為和恒星的行為，以及二者如何影響星系的具體結(jié)構(gòu)和如何改變星系形態(tài)等都有巨大幫助。CHILI的視場足夠大，可以在一個視場里同時包含一對正在經(jīng)歷并合的近鄰星系，得到它們的速度場分布。

利用CHILI大視場和深度曝光的優(yōu)勢，也可以通過觀測星系外圍恒星盤的旋轉(zhuǎn)速度曲線來更好地限制2星系的質(zhì)量分布模型。星系的旋轉(zhuǎn)曲線指星系內(nèi)部物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度隨半徑的變化關(guān)系，暗物質(zhì)正是通過旋轉(zhuǎn)曲線的觀測數(shù)據(jù)被發(fā)現(xiàn)的。早在1933年，茲威基（F.Zwicky）測量了星系團中星系的速度，提出如果星系團是引力束縛的宇宙結(jié)構(gòu)，一定需要暗物質(zhì)存在，但是由于茲威基經(jīng)常叫自己在威爾遜天文臺的同事為“球形混蛋”（“球形”形容從各個角度看他們都是“混蛋”），導(dǎo)致他的人際關(guān)系非常差，當時的天文學(xué)界普遍沒有人相信他的說法。直到1970年，哈佛大學(xué)的女天文學(xué)家魯賓（v.Rubin）等研究了超過60個漩渦星系的旋轉(zhuǎn)曲線，才得到了暗物質(zhì)存在的觀測證據(jù)。如果星系的所有質(zhì)量都集中在星系中心，那么在星系外圍，軌道速度將隨半徑的增加而下降，但是魯賓的觀測表明，軌道速度并沒有隨半徑的增加而下降，這表明在星系的發(fā)光區(qū)域之外，存在著大量不可見的物質(zhì)，即暗物質(zhì)。由此可見，旋轉(zhuǎn)曲線在限制星系中物質(zhì)分布模型方面起著重大的作用。星系發(fā)出的光隨著半徑增加而下降，星系外圍非常暗弱，因此在曝光時間不夠長的情況下，外圍恒星盤中的旋轉(zhuǎn)速度的測量誤差往往很大。CHILI的大視場和長曝光可以有效地減小測量中外圍恒星旋轉(zhuǎn)速度的誤差，從而幫助更好地限制星系的物質(zhì)分布模型。

此外，目前對大質(zhì)量星系的形成過程、M31核球中氣體的電離機制、側(cè)向星系中彌散電離氣體的電離原因等都還不清楚，通過積分視場光譜儀觀測得到的二維光譜可以很好地幫助人們了解這些天體的各方面性質(zhì)，從而更好地限制物理模型，最終達到解答上述問題的目的。

CHILI的成功安裝將極大地促進我國天文觀測水平與國際接軌，顯著提升我國研究星系內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及動力學(xué)特征的能力。按照我國目前光學(xué)波段的天文研究走勢，未來勢必有更多大口徑望遠鏡建成，比如正在籌備建造的4米級光學(xué)望遠鏡、正在提議建設(shè)的6.5米、12米望遠鏡等，這些項目都一定會安裝IFU這樣的終端設(shè)備。CHILI項目的運行可以在項目管理、工程技術(shù)、科學(xué)探索、數(shù)據(jù)處理等方面為這些將來更大的二維光譜終端項目提供必要的技術(shù)和人才儲備。中國的二維光譜時代已經(jīng)開始，CHILI只是一個開端，未來要逐漸走出一條自己的二維光譜終端設(shè)備之路。

關(guān)鍵詞：積分視場光譜儀 光學(xué)天文 二維光譜 CHILI