南极昆仑站具有绝佳的天文观测条件，尤其是其低温干燥的自然环境使得在红外波段的观测可以获得更深的观测极限和更高的信噪比，是地球上进行红外观测的最佳台址之一。2024年中国第40次南极科学考察队在南极昆仑站首次开展了近红外天文观测以及近地空间环境全时段监测试验。该关键装备由中国科学院南京天文光学技术研究所自主研制，采用模块化设计，通过密封耐低温光学镜筒、全密封直接驱动电机等关键技术，显著提升了设备的环境适应能力；望远镜光学方案采用在入瞳处安装密封除霜封窗、全口径近红外滤光片，全视场像质优异、信噪比高。这台设备在严苛的环境下，成功完成了白天恒星观测、近红外天空亮度背景测量以及包括近地轨道卫星和空间碎片的白昼观测实验；并于极夜期间在无人值守的情况下与AST3-2协同观测能够获取持续2,670小时不间断天文观测的多波段和高频观测数据等。

图1 南极昆仑站近红外望远镜工作现场

图2 适用于极地极端环境的光学系统设计

图3 迷宫式动密封高精度直驱电机的结构与跟踪精度实测（-60℃）

图4 望远镜在昆仑站运行环境温度实测曲线

针对极地望远镜安装使用环境和条件的特殊性，南极近红外望远镜设计考虑模块化、易维护的设计理念。采用双曲面牛顿反射式望远镜光学系统设计，在入瞳处布置近红外滤光片，获得了全视场上均匀分布的成像质量；采用迷宫式密封的自研直接驱动电机设计保障望远镜在极地极寒的冰雪环境下仍能高精度稳定运行。该近红外望远镜口径150mm，视场0.87°×0.69°，试观测时工作在J波段，像元比例尺2.5角秒，全视场像质平均1.4像素；在太阳高度20°的情况下，0.3秒曝光，探测能力优于5.34等，图像叠加后极限星等达到10等；在低于-60℃的温度下跟踪精度（跟星实测5分钟）达到RMS = 0.243角秒。

图5 部分近红外科学观测结果

首套近红外望远镜由中国科学院南京天文光学技术研究所与中国极地研究中心（中国极地研究所）联合实施，合作单位包括新南威尔士大学、南昌大学、中寰光电（天津）有限公司、嘉兴锐星光学仪器有限公司、苏州振旺光电有限公司等。望远镜在现场的执行过程得到中国第40次南极科学考察队员的大力协助。

团队介绍

中国科学院南京天文光学技术研究所南极望远镜团队成员是“创新人才推进计划重点领域创新团队”核心成员，承研了我国大部分南极光学天文专业观测设备，先后在南极海拔最高点昆仑站建设完成中国之星小望远镜阵列CSTAR、南极巡天望远镜AST3-1、AST3-2、近红外望远镜，在南极中山站建设完成南极亮星巡天望远镜 BSST，多通道测光望远镜阵列MST；作为课题承担单位完成“国家重点基础研究发展规划（973）”项目《利用南极巡天望远镜在超新星宇宙学及太阳系外行星方面的前沿研究》；主持完成国家自然科学基金重大项目“极端台址环境下的天文望远镜关键技术方法研究”；主持国家重点研发计划“深海和极地关键技术与装备”重点专项课题2项。

论文信息

相关成果以“System design for the large field of view Near-infrared Telescope at Dome A in Antarctica”为题发表在Publications of the Astronomical Society of the Pacific。

引用格式:Zheng-Yang Li et al 2024 PASP 136 115002

DOI: https://doi.org/10.1088/1538-3873/ad8d7b

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