JCMT | 未来大型毫米波和亚毫米波望远镜的先驱

JCMT | 未来大型毫米波和亚毫米波望远镜的先驱

2014 年,国家天文台牵头中科院天文台系统,与日本国立天文台、韩国天文研究院及我国台湾中研院天文所,发起成立了东亚天文台(East Asian Observatory,简称EAO)组织,并在美国夏威夷注册(非盈利组织)。当时,紧迫的目的之一,就是竞争从英国科学和技术设施委员会(STFC)手中接管和运行詹姆斯克拉克·麦克斯韦望远镜(简称麦克斯韦望远镜,JCMT)。因为,它是当今世界上工作在亚毫米波段最大的单天线望远镜,并正引导着射电天文领域下一代的技术研发。尽管存在激烈的国际竞争,最终还是东亚天文台胜出。我们以2期系列做介绍,第1篇先听了一位天文学家的个人故事,本篇详细介绍望远镜及其与中国天文学的故事。

初识麦克斯韦望远镜

麦克斯韦望远镜是当今工作在亚毫米波段最大的单天线望远镜,口径直径15米。当前的设备包括大视场成像和极化仪(SCUBA-2/POL-2:850微米和 450微米的 10000像元 TES辐射热测量计),多像元外差探测器(HARP:350GHz 16像元超导隧道结混频器),以及单像元三频段外差接收机(Namakanui:350GHz,230GHz和 86GHz双极化)。这些都是当今世界领先的毫米波接收机。

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图一:星空下的麦克斯韦望远镜,来源:东亚天文台

值得一提的是,麦克斯韦望远镜也是北半球唯一的 850微米和 450微米(350GHz和 666GHz)双波段连续谱成像望远镜。另外,像 SCUBA-2这种成像设备的集光能力相当于 5000个 15米的单像元望远镜,远远超过阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)。

在接下来的十年内,由于视场和灵敏度的改善,麦克斯韦望远镜的下一代设备无论是连续谱还是谱线观测方面,扫描速度都会更快。这些下一代设备也将很自然地成为下一代大型单天线毫米波和亚毫米波望远镜的初光设备。

在未来十年的射电天文领域,下一代大型望远镜的首要候选之一就是毫米波/亚毫米波段的大口径(60米到 100米)单天线望远镜。这样的望远镜在有效接收面积上将接近或超过 ALMA。它提供的大视场,结合多像元外差接收机或焦平面连续谱探测器,将提供超过 ALMA几个数量级的同时集光能力。有了大视场加持,这样的大型望远镜将会极其强大。

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图二:从望远镜圆顶内部仰视麦克斯韦望远镜,来源:东亚天文台

同时,下一代望远镜也将当仁不让地参与亚洲乃至全球的高频甚长基线干涉测量(VLBI)。ALMA目前每年只有5天时间分配给VLBI,而这一望远镜可以提供远远超过这个天数的时间,并将做出比 ALMA大得多的贡献。

这台望远镜将需要全世界最好的台址,而中国就拥有这样的台址之一。需要强调的是,这台望远镜最重要的部分将是仪器,例如增加数倍集光能力的大视场成像。JCMT目前是下一代毫米波和亚毫米波望远镜发展和测试初光设备的最佳测试地。

中国极有可能发展下世纪五十米级的亚毫米波望远镜, 而麦克斯韦望远镜也可以为终端设备的研制提供试验平台,这在亚毫米热辐射偏振研究中曾有过体现。

JCMT的科学产出和中国用户

经由东亚天文台合作,麦克斯韦望远镜的主要用户群体近年来得到迅猛壮大。中国用户利用麦克斯韦望远镜发表的文章数也在持续增加,仅仅过去五年内就有超过150篇文章。同时,中国射电天文界对麦克斯韦望远镜的需求是全球最高的,最近大部分观测季度中,申请的需求时间达到实际可用时间的5.9倍。麦克斯韦望远镜在2020年度又为中国学者的研究项目提供了250小时的观测时间,接近总共可用时间的60%。

2019年下半年,国家天文台星际介质与恒星形成团组吴京文、蔡肇伟、李菂研究员获得了220小时的观测时间,利用JCMT的SCUBA-2开展了对M31完整天区的极深度巡天,巡天目标是:

(1)建立全天唯一一个对新发现的冷巨分子云在漩涡星系的完整样本,探索巨分子云的产生和消亡机制。

(2)配合中国天眼FAST对M31的中性氢深度巡天,首次得到M31冷尘埃的完整、深度图像。

由东亚天文台负责管理和运行的麦克斯韦望远镜,其第一个五年期(2015-2019)刚刚过去。在这期间,东亚区域天文机构按照用户和使用规模共同集资,加上英国和加拿大部分大学的延续参与,按照国际规范管理和运行麦克斯韦望远镜,终始这架望远镜青春不减,宝刀不老。

麦克斯韦望远镜取得的众多成果分布在各个领域,其中就有麦克斯韦瞬变源巡天项目的优秀科学产出以及河外星系科学的成果,详情可参阅下列深度阅读文章:

按照年科研论文产出数量所评价的望远镜运行水平排名,JCMT连年名列国际著名天文设备的前十名之内。随着2019年视界望远镜第一张黑洞照片的诞生,麦克斯韦望远镜作为视界望远镜的一部分,其文章成果和影响在持续增加,是未来科学发现的关键资源。

关于JCMT的时间分配

JCMT望远镜的时间分配委员会(TAC)负责望远镜观测申请的评审工作,包括外部评审的选择,观测申请的评分,时间分配,以及撰写反馈报告。TAC通常包括6-7名委员,分别来自不同的成员国家和地区。如果需要同时评审大型观测项目和PI项目,则会适当增加一两名委员。来自中国的科学家也一直是委员会成员。

关于JCMT的学术交流

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图三:参加2019年“EAO未来研讨会:未来科学和仪器”会议

自从东亚天文台接管麦克斯韦望远镜之后,在国内组织了多次学术研讨会,为科研人员提供了交流学习的机会,极大地促进了利用麦克斯韦望远镜的科学产出。点击链接,可以了解在中国举办的东亚天文台和麦克斯韦望远镜的相关会议。

结语:麦克斯韦望远镜虽然已年入不惑,但随着东亚天文台对望远镜一些设备和部件(接收机,热探测阵列)的更新换代,麦克斯韦望远镜定能重新焕发青春。麦克斯韦望远镜与阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜(ALMA)等优秀望远镜的携手,将继续谱写科学新发现的美妙篇章。祝愿东亚天文台未来发展顺利,更上一层楼。

稿群整理:万昊宜

排版校对:袁凤芳

编辑:赵宇豪

[ 责编:赵宇豪 ]

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