[论文解读] Astronomical Research with Liquid Mirror Telescopes

E. F. Borra|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2001

Adaptive optics and wavefront sensing被引用 3

一句话总结

本文提倡将液面反射望远镜（LMTs）作为大规模天文巡天的低成本解决方案，利用其低廉的资本和运营成本，实现广泛而集中的研究。研究表明，LMTs可开展宇宙学巡天——每年探测数千例至红移z=1的Ia型超新星，并识别星系团中的MACHOs，从而以高统计功效区分竞争的宇宙学模型。

ABSTRACT

Liquid mirror telescopes are of interest to Astronomy because of their very low capital and operating costs. Low cost has a potentially revolutionary impact since it allows one to dedicate a large telescope to a narrowly focused project that needs a large quantity of observations. The technology is now well proven in the laboratory as well as in observatory settings and is stepping into the mainstream of astronomical research. This paper has two main purposes. a) To acquaint the astronomical community with LMT zenith observing and to illustrate the LMT advantage with specific examples of research topics of current interest that could be carried out only with LMTs because of their low costs. I argue that LMTs are more versatile than generally thought and that the challenge is to use LMTs in such ways as to maximize their advantages and minimize their disadvantages. I briefly review specific issues regarding zenith telescopes. I then illustrate the LMT advantage with specific examples of astronomical research. b) I show that the large number of objects observed with a surveying LMT allows one to carry out cosmological projects at low redshifts. I show that a variability survey would obtain light curves for several thousands of type Ia supernovae per year up to z=1 and easily discriminate among competing cosmological models. The same survey would find large numbers of MACHOs in clusters of galaxies and in background faint galaxies. Finally, I discuss a spectrophotometric survey carried out with interference filters, showing its power to discriminate among cosmological models and to study the large-scale distribution of galaxies in the Universe.

研究动机与目标

• 证明液面反射望远镜（LMTs）在专用、大规模天文研究中的可行性与优势。
• 解决在保持LMT固有优势的同时，最大限度提升其应用价值，同时应对仰面指向设计固有局限性的挑战。
• 展示LMTs可通过高时间分辨率、大范围巡天，在低红移宇宙中支持宇宙学项目。
• 通过每年数千例Ia型超新星的光变曲线，实现对竞争宇宙学模型的区分。
• 探索利用LMTs进行滤光片干涉光谱测光，以绘制大尺度星系分布。

提出的方法

• 利用旋转液体（通常为汞）形成抛物面反射面的液面反射望远镜，实现大口径、低成本光学系统。
• 采用仰面指向观测，以简化机械设计并降低成本，依赖地球重力维持镜面形状。
• 实施基于干涉滤光片的巡天策略，实现大视场范围内的光谱测光观测。
• 利用LMTs的高观测效率，每年收集数千例Ia型超新星在z=1以内的光变曲线。
• 对光变曲线数据应用统计分析，以区分包含不同暗能量参数的宇宙学模型。
• 利用同一巡天数据，探测星系团中MACHOs及背景暗淡星系的引力微引力透镜事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 液面反射望远镜能否实现足够的稳定性和性能，以支持高精度宇宙学巡天？
• RQ2 LMT巡天每年可探测多少例Ia型超新星（至红移z=1）？这些数据能否有效区分宇宙学模型？
• RQ3 LMTs能否通过微引力透镜巡天探测星系团及背景暗淡星系中的MACHOs？
• RQ4 在LMTs上使用干涉滤光片进行光谱测光巡天，能在多大程度上绘制宇宙的大尺度结构？
• RQ5 在仅能仰面指向的约束下，何种观测策略可最大化LMTs的科学产出？

主要发现

• 液面反射望远镜巡天每年可获取数千例Ia型超新星在红移z=1以内的光变曲线。
• 探测到的大量超新星使我们能够对竞争宇宙学模型进行稳健的统计区分。
• 同一巡天将探测到大量星系团及背景暗淡星系中的MACHO事件。
• 利用LMTs的干涉滤光片进行光谱测光巡天，可有效探测宇宙中星系的大尺度分布。
• LMTs的低成本特性使其可专门部署为大口径望远镜，聚焦于特定科学项目，显著提升观测效率。
• 液面反射技术现已足够成熟，可部署于天文台环境，有望成为天文学研究中的主流工具。