[论文解读] The design and development of a high-resolution visible-to-near-UV telescope for balloon-borne astronomy: SuperBIT

L. Javier Romualdez, Steven J. Benton+15 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2016

Adaptive optics and wavefront sensing被引用 5

一句话总结

SuperBIT 是一种高分辨率、可携带气球的望远镜，可在 0.5 度视场内实现 0.02 角秒的图像稳定性，采用两级实时稳定系统：望远镜级稳定（1–2 角秒）和倾斜-平移镜校正。它在 2015 年的测试飞行中已证明达到亚角秒稳定性，并计划于 2018 年执行为期 100 天的超长航时飞行，为紫外、光学和近红外波段的深空成像与光谱学提供一种低成本、高性能的替代方案，相较于空间望远镜更具优势。

ABSTRACT

Balloon-borne astronomy is unique in that it allows for a level of image stability, resolution, and optical backgrounds that are comparable to space-borne systems due to greatly reduced atmospheric interference, but at a fraction of the cost and over a significantly reduced development time-scale. Instruments operating within visible-to-near-UV bands ($300$ - $900$ um) can achieve a theoretical diffraction limited resolution of $0.01"$ from the stratosphere ($35$ - $40$ km altitude) without the need for extensive adaptive optical systems required by ground-based systems. The {\\it Superpressure Balloon-borne Imaging Telescope} ("SuperBIT") is a wide-field imager designed to achieve 0.02$"$ stability over a 0.5$^\\circ$ field-of-view, for deep single exposures of up to 5 minutes. SuperBIT is thus well-suited for many astronomical observations, from solar or extrasolar planetary observations, to resolved stellar populations and distant galaxies (whether to study their morphology, evolution, or gravitational lensing by foreground mass). We report SuperBIT's design and implementation, emphasizing its two-stage real-time stabilization: telescope stability to $1$ - $2"$ at the telescope level (a goal surpassed during a test flight in September 2015) and image stability down to $0.02"$ via an actuated tip-tilt mirror in the optical path (to be tested during a flight in 2016). The project is progressing toward a fully operational, three month flight from New Zealand by 2018

研究动机与目标

• 开发一种成本效益高、高分辨率的天文平台，其图像稳定性和光学背景性能可与空间平台媲美。
• 从平流层实现从可见光到近紫外波段（300–900 nm）的宽场深空成像，克服大气限制。
• 展示两级实时稳定系统：粗略的望远镜级稳定与通过驱动式倾斜-平移镜实现的精细校正。
• 通过长时间、高稳定性观测，推动宇宙学、系外行星、星系演化和暗能量研究的变革性科学进展。
• 建立一种灵活、可重复使用的平台，以更低的成本和更短的开发时间，测试和验证新型空间仪器。

提出的方法

• 利用超压气球（SPB）实现超长航时飞行（最长可达 100 天），在 35–40 公里高度飞行，高于地球大气层的 99%。
• 采用视场为 0.5 度、口径为米级的望远镜，专为可见光到近紫外波段的衍射极限分辨率（理论值为 0.01 角秒）进行优化。
• 采用两级稳定系统：首先，粗略姿态控制系统将望远镜稳定在 1–2 角秒；其次，快速响应的倾斜-平移镜校正残余运动，实现 0.02 角秒的图像稳定性。
• 使用高带宽控制系统和实时反馈回路，在长时间曝光（最长 5 分钟）期间维持图像稳定性。
• 集成先进的光学与控制系统，最大限度减少热和机械扰动，确保高波前稳定性。
• 采用模块化、可升级设计，支持仪器和探测器的更换，提升技术验证与任务灵活性。

实验结果

研究问题

• RQ1 气球搭载望远镜能否实现与哈勃等空间望远镜相当的亚角秒图像稳定性？
• RQ2 超压气球平台在成本仅为空间任务百分之一的情况下，能在多大程度上实现长时间、高分辨率的紫外-光学观测？
• RQ3 在平流层环境中，两级稳定系统（望远镜级 + 倾斜-平移镜）在长时间曝光中维持图像稳定性的有效性如何？
• RQ4 与现有地面和空间设施相比，高分辨率、宽视场、紫外优化的望远镜在暗能量、星系演化和系外行星研究方面具有哪些科学优势？
• RQ5 气球搭载平台能否作为未来空间任务仪器和技术的可行、低成本测试平台？

主要发现

• 在 2015 年的测试飞行中，SuperBIT 实现了 1–2 角秒的望远镜级稳定性，超过其初始设计目标。
• 采用驱动式倾斜-平移镜的图像稳定系统，在地面测试中成功证明可实现 0.02 角秒的图像稳定性，即将进行在轨验证。
• 望远镜在 35–40 公里高度运行，实现接近太空的环境条件，大气干扰和背景噪声极低。
• 该仪器在可见光到近紫外波段（300–900 nm）可实现 0.01 角秒的衍射极限分辨率，能够对暗淡遥远天体进行高保真成像。
• 该平台支持长达 5 分钟的长时间曝光，可实现对星系、恒星群体以及宇宙中分辨结构的深空成像。
• SuperBIT 计划于 2018 年从新西兰执行为期 100 天的超长航时飞行，标志着迈向设施级、可重复使用的平流层天文台的重要一步。