适用于银河系的GPS - 文章

适用于银河系的GPS

作者：FAULHABER

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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。

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。

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MO33 Galaxy © 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。

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VLT DWG MON © 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。

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Moons at VLT © 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。”

FAULHABER

Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG 是当今微型和微驱动技术领域内全球领先的一站式供应商。该公司专业开发和制造高品质标准产品，同时为需要高精度和高可靠性的应用领域提供复杂的定制方案。FAULHABER集团在全球范围内拥有1700多名员工。www.faulhaber.com(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/14/2019)


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