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黑科技 | 銀河系3D圖指日可待,GPS帶你探索神秘太空!

供稿:福爾哈貝傳動技術(太倉)有限公司 2019/6/26 14:49:22

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  • 關鍵詞: GPS步進電機 FAULHABER
  • 摘要:無論承認與否,人類對世界的探索從未停止。例如,我們總想了解銀河系發生了哪些變化,但事實上我們對此知之甚少,因為我們很難從細節中看到整體。為此,英國天文學家發起了MOONS項目,旨在改變這一現狀,而FAULHABER的技術將在其中發揮重要作用。

無論承認與否,人類對世界的探索從未停止。例如,我們總想了解銀河系發生了哪些變化,但事實上我們對此知之甚少,因為我們很難從細節中看到整體。

為此,英國天文學家發起了MOONS項目,旨在改變這一現狀,而FAULHABER的技術將在其中發揮重要作用。

 

填補銀河系知識空白

在探索人類賴以生存的圓盤狀螺旋星系時,天文學家通常會提出一個基本問題:雖然地球不在銀河系的正中間,但它仍在銀河系的盤狀平面上。因此,如果想從地球這個有利角度看到銀河系的中心,甚至是銀河系的另一邊,視野無疑會被無數的恒星擋住。

當站在地球上觀測時,我們很難甚至無法確定所觀測的事物在銀盤中的位置。對于銀河系,我們知之甚少的一個區域是其中心的致密區,在這里,有無數恒星和氣體云集在黑洞周圍。

不過,即將開展的這一重大天文學項目將幫助人們填補相關知識空白。該項目由歐洲南方天文臺(ESO)發起,匯集了來自多個國家的八個研究參與。這個科學組織正在智利阿塔卡馬沙漠操作世界上最強大的望遠鏡,包括帕拉那爾天文臺口徑達8.2米的巡天望遠鏡(VLT)。

 

該項目旨在為VLT裝備一種新儀器,用于捕捉來自太空的光信號。它是一種光譜儀,能同時捕捉落入光譜可見光和紅外光范圍的大量宇宙天體。其項目名稱多目標光學和近紅外光譜儀,縮寫為MOONS,由英國天文學科技中心(UK ATC)協調。

 

打破傳統觀測模式

 

“當我們在使用高質量相機時可以更換相機鏡頭,但使用天文望遠鏡時,情況正好相反,VLT配有優質鏡片,我們只需用MOONS取代當前連接的“相機”即可,UK ATC的科學家William Taylor博士解釋道。

憑借新技術,MOONS在觀測太空方面開辟了全新的可能性,盡管它不會生成傳統意義上的大尺寸圖像,只會捕捉微小細節。

與以往的天文望遠鏡類似,VLT的巨大鏡片和反射鏡指向待觀測的太空,讓MOONS的1001根光纖末端與待觀測宇宙區域內的單個天體對齊。

這款新儀器并不像相機一樣捕捉整個選定區域,而是讓光纖對準宇宙中的某些點,甚至也不只是拍攝這些點,而是通過棱鏡將其光線分成單獨的部分,即不同波長。

 

Taylor博士解釋道:“從科學角度來看,這種方法生成的信息比圖像多得多。例如,我們可以了解天體的化學成分。

此外,這允許我們計算其動力,即運動的速度和方向。由于MOONS可以捕捉近紅外光譜,因此我們可以精確地分析從遙遠天體傳來的光所經歷的紅移。”

當恒星遠離地球時,其光波長會變長。這就是部分可見光轉移到不可見紅外光范圍的方式,該范圍仍然接近可見光譜。

 

穩定驅動 提升天體觀測效率

 

以往的技術只能在可見光范圍內單獨觀測到最多約100個天體,而MOONS將這個數字提升了10倍,而且進一步增加了信息的深度。這不僅能更精確地觀測銀河系的細節,還能更清晰地看到整個觀測環境。

“該項目的目標是創建一張銀河系3D地圖,讓GPS能在整個銀河系中進行導航。MOONS的分辨率極高,能觀測到非常遙遠的事物,也能追溯很久以前發生的事情,或許能解釋幾億年內發生大爆炸的成因。”

這有助于科學家探索宇宙的起源。

 

Taylor博士說,在當今時代,雖然探索宇宙的起源在某種程度上已成為可能,但MOONS能為提供更清晰更詳細的圖像。“我們能以前所未有的深度繪制宇宙地圖。”

 

天文學家的目標是在五年左右的時間內探索幾百萬個天體。為達到這一目標,這臺光譜儀的1001根光纖必須快速且自動(大部分)指向宇宙天體。

 

這可以通過相同數量的光纖定位單元(FPU)來實現。每個FPU都有兩個步進電機驅動單元,它們安裝在回差縮減直齒輪減速箱上。

 

安裝在后面的驅動單元可以推動FPU的中心軸(α),安裝在FPU上的前置電機減速箱驅動單元(β)可驅動光纖尖端。

 

當兩個軸向運動結合后,每個FPU可以覆蓋一個圓形區域,并隨機對齊光纖。該區域與相鄰FPU的區域部分重疊。這意味著可以控制捕捉區內的每個點。

 

為滿足重復定位的挑戰性要求,其驅動解決方案必須極其精確,以避免FPU尖端之間相互碰撞,并確保系統高重復性運行。

FAULHABER PRECISTEP的高質量步進電機成為理想選擇,FAULHABER Minimotor的零回差減速箱有助于提高定位精度,而模塊的機械設計則由FAULHABER的子公司mps完成。

 

強強聯合 研發專用瞄準裝置

 

“我們很感謝FAULHABER集團旗下三家公司提供的寶貴意見,”UK ATC的FPU研發人員Steve Watson博士報告稱。

 

“如果沒有Faulhaber提供的專業知識,我們就不可能開發出這個核心模塊,也不可能達到我們所要求的觀測數量。除了光纖的對齊速度之外,還必須確保對齊的精度。最終,我們實現了0.2的精度和20微米的定位重復性。

 

此外,這些單元始終與焦面板對齊,而模塊也布局在焦面板的適當位置。”

 

光譜儀運行的另一個要求是部件的高精度和極高可靠性,這樣控制程序操作起來會更簡單。復雜的電子元件和控制邏輯將嚴重阻礙1001個單元的快速同步控制。

 

由于部件的高質量,通過簡單的開環控制即可實現精確對齊。該技術必須非常完善,幾乎不需要維護,以便在10年系統使用壽命內不間斷地執行任務。

 

項目經理Alasdair Fairley博士表示已經攻克了這些技術問題:“我們在MOONS上取得了良好的進展,預計能在2021年夏天安裝光譜儀。調試大約需要半年時間,因此可能會在2022年初開始繪制宇宙地圖。”

“我們相信,未來十年,FPU將保持全面運行,無需維護。”

審核編輯(王靜)
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