一、工程簡(jiǎn)介
1. 背景介紹
Vera C. Rubin天文臺(tái)，以前被稱為大型巡天望遠(yuǎn)鏡(LSST)，是智利目前正在建設(shè)的一座天文臺(tái)。它的主要任務(wù)是天文測(cè)量，即時(shí)空遺跡巡天(LSST)。
LSST是一種新型的望遠(yuǎn)鏡。它擁有世界上最大的集光能力，可以在短時(shí)間內(nèi)探測(cè)到微弱的物體。它獨(dú)特的廣角視野使它能同時(shí)觀察大面積的天空;小巧靈活，可在圖像間快速移動(dòng)。每晚拍攝800多張全景照片，每周可以覆蓋兩次天空。
LSST強(qiáng)大的數(shù)據(jù)系統(tǒng)將新的圖像與以前的圖像進(jìn)行比較，以檢測(cè)亮度和位置的變化。天空每一部分的數(shù)百?gòu)垐D片將被用來(lái)制作成天空的視頻。視頻可以用來(lái)檢測(cè)和跟蹤潛在的危險(xiǎn)小行星，因?yàn)樾⌒行强赡軙?huì)影響地球，造成重大損害。
來(lái)自LSST的數(shù)據(jù)將被用來(lái)繪制一幅具有前所未有深度和細(xì)節(jié)的宇宙三維地圖。這張地圖可以用來(lái)定位神秘的暗物質(zhì)和描述更神秘的暗能量的特性。
LSST計(jì)劃于2001年提出，2007年開(kāi)始由私人資金資助建造鏡，2008年1月，查爾斯·西蒙尼和比爾·蓋茲分別捐贈(zèng)2000萬(wàn)美金和1000萬(wàn)美金給LSST計(jì)劃。LSST成為2010年天體物理學(xué)十年調(diào)查中排名第一的大型地基工程。
該項(xiàng)目正式開(kāi)始于2014年8月1日，當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)批準(zhǔn)了FY2014部分(2750萬(wàn)美元)的建筑預(yù)算。資金來(lái)自NSF、美國(guó)能源部和由國(guó)際非營(yíng)利組織專門(mén)籌集的私人資金，由天文學(xué)研究大學(xué)協(xié)會(huì)(AURA)進(jìn)行監(jiān)管。
牽頭組織是：
?SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建造LSST相機(jī)
?美國(guó)國(guó)家光學(xué)天文觀測(cè)臺(tái)提供的望遠(yuǎn)鏡和站點(diǎn)團(tuán)隊(duì)
?美國(guó)超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心建設(shè)和測(cè)試檔案和數(shù)據(jù)訪問(wèn)中心
?天文學(xué)研究大學(xué)協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)監(jiān)督LSST的建設(shè)。
LSST的正式鋪設(shè)于2015年4月14日進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)施工于2015年4月14日開(kāi)始，工程攝像機(jī)預(yù)計(jì)于2022年10月初亮，2023年10月前未開(kāi)始全面測(cè)量作業(yè)，由于COVID相關(guān)的進(jìn)度延遲。LSST數(shù)據(jù)將在兩年后完全公開(kāi)。
2. LSST的組成
LSST采用獨(dú)特的三透鏡光學(xué)組件和世界上最大的CCD相機(jī)。望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)由磁力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，確保從一個(gè)觀測(cè)場(chǎng)到另一個(gè)觀測(cè)場(chǎng)的快速、平穩(wěn)和安靜的旋轉(zhuǎn)。望遠(yuǎn)鏡的主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)允許我們改變不同鏡子的形狀，以便不斷提高圖像質(zhì)量。遮光罩、防風(fēng)和熱控制以及自然通風(fēng)和白天制冷可以緩解環(huán)境問(wèn)題，如環(huán)境光照、風(fēng)和溫度的大變化，這些都會(huì)影響圖像質(zhì)量。
LSST的望遠(yuǎn)鏡和設(shè)備設(shè)計(jì)為高度自動(dòng)化，幾乎不需要人工干預(yù)。在觀測(cè)過(guò)程中，望遠(yuǎn)鏡將由一個(gè)先進(jìn)的天文臺(tái)軟件調(diào)度器控制，而操作員將始終在山頂值班。研究人員還可以在任何遠(yuǎn)程操作中心實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)度。部分工作人員將確保安全運(yùn)行，并根據(jù)需要排除故障。
LSST相機(jī)是迄今為止建造的最大的數(shù)碼相機(jī)。它大約有5.5英尺(1.65米)乘9.8英尺(3米)，大約相當(dāng)于一輛小型汽車的大小，重約6200磅(2800公斤)。它是一種大口徑、寬視場(chǎng)光學(xué)成像儀，能夠觀察從近紫外到近紅外(0.3-1μm)波長(zhǎng)的光。LSST相機(jī)設(shè)計(jì)能提供3.5度的視野，其10μm像素能夠進(jìn)行0.2弧秒的采樣，以優(yōu)化像素靈敏度和像素分辨率。
LSST鏡頭將以最少的停機(jī)和維護(hù)時(shí)間產(chǎn)生極高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。
LSST的山頂設(shè)施目前正在智利中北部的安第斯山脈的Cerro Pachón山脊上建造。Cerro Pachón位于內(nèi)陸，距離LSST基地設(shè)施所在的支持城鎮(zhèn)La Serena約60英里(100公里)。
LSST天文臺(tái)的頂層設(shè)施包括望遠(yuǎn)鏡墩、一個(gè)支持旋轉(zhuǎn)圓頂?shù)牡蛯訃鷫?直徑30米)以及一個(gè)附屬的32000平方英尺(3000平方米)服務(wù)和操作大樓。附近有一個(gè)單獨(dú)的圍墻，容納天文臺(tái)的輔助望遠(yuǎn)鏡。
LSST山頂設(shè)施的設(shè)計(jì)利用了Cerro Pachón的El Peñón山頂?shù)淖匀坏匦巍Ｖ魍h(yuǎn)鏡的外殼占據(jù)了最高和最大的山峰，而附屬的服務(wù)和操作大樓則在東南方向的馬鞍區(qū)。輔助望遠(yuǎn)鏡位于東部較遠(yuǎn)的一個(gè)較小的山峰上。山頂設(shè)施的具體方向是在廣泛的天氣測(cè)試和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析驗(yàn)證后，選擇的最小的空氣干擾的望遠(yuǎn)鏡最佳觀察環(huán)境。對(duì)該地點(diǎn)的天然巖石進(jìn)行的巖土工程研究表明，它是堅(jiān)固和抗侵蝕的。
軟件也是LSST最具挑戰(zhàn)性的方面之一，因?yàn)槊客肀仨毺幚砗蛢?chǔ)存超過(guò)20兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。本文將在后續(xù)對(duì)LSST的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
3. LSST的目標(biāo)
LSST的具體科學(xué)目標(biāo)包括：
?通過(guò)對(duì)量弱引力透鏡、重子聲學(xué)振蕩和Ia型超新星光度的測(cè)量，研究暗能量和暗物質(zhì)。
?繪制太陽(yáng)系中的小天體，特別是近地小行星和Kuiper belt天體。LSST預(yù)計(jì)將使編入目錄的天體數(shù)量增加10-100倍。它還將有助于尋找假設(shè)的九號(hào)行星。
?探測(cè)瞬時(shí)天文事件，包括新星、超新星、伽馬射線暴、類星體變異性和引力透鏡，并針對(duì)事件提供及時(shí)的通知以促進(jìn)后續(xù)行動(dòng)。
?繪制銀河系圖。
人們還希望，LSST所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)將促進(jìn)更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
美國(guó)國(guó)會(huì)要求NASA對(duì)90%的140米以上的近地天體進(jìn)行探測(cè)和編目。LSST本身估計(jì)可以探測(cè)到62%的這類天體，而根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的說(shuō)法，將其調(diào)查時(shí)間從10年延長(zhǎng)到12年，這將是完成這一任務(wù)的最經(jīng)濟(jì)的方法。
LSST還有一個(gè)教育和公共推廣計(jì)劃(EPO)。LSST的EPO將為四大類用戶服務(wù)：普通公眾、正規(guī)教育工作者、公民科學(xué)的主要研究者，以及非正規(guī)科學(xué)教育設(shè)施的內(nèi)容開(kāi)發(fā)者。LSST將與Zooniverse(公民科學(xué)網(wǎng)絡(luò)門(mén)戶)合作開(kāi)展一些公民科學(xué)項(xiàng)目。
參考文獻(xiàn)：
https://www.lsst.org/about
https://en.wikipedia.org/wiki/Vera_C._Rubin_Observatory
https://www.lsstcorporation.org/mission
