[论文解读] The Fibre Multi-Object Spectrograph (FMOS) for Subaru Telescope

Masahiko Kimura, Toshinori Maihara+40 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2010

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

FMOS 是昴星望远镜的近红外、光纤馈电多目标积分场光谱仪，可在30′直径视场内同时对多达400个天体进行光谱观测。其通过一种创新的光纤定位器（Echidna）、大视场校正器以及两台冷却光谱仪实现，系统效率达10%，在1小时积分时间内，S/N = 5时的极限星等为J = 20.1等和H = 19.8 AB等。

ABSTRACT

Fibre Multi-Object Spectrograph (FMOS) is the first near-infrared instrument with a wide field of view capable of acquiring spectra simultaneously from up to 400 objects. It has been developed as a common-use instrument for the F/2 prime-focus of the Subaru Telescope. The field coverage of 30' diameter is achieved using a new 3-element corrector optimized in the near-infrared (0.9-1.8um) wavelength range. Due to limited space at the prime-focus, we have had to develop a novel fibre positioner called "Echidna" together with two OH-airglow suppressed spectrographs. FMOS consists of three subsystems: the prime focus unit for IR, the fibre positioning system/connector units, and the two spectrographs. After full systems integration, FMOS was installed on the telescope in late 2007. Many aspects of performance were checked through various test and engineering observations. In this paper, we present the optical and mechanical components of FMOS and show the results of our on-sky engineering observations to date.

研究动机与目标

• 为昴星望远镜开发一种大视场、高复用率的近红外光谱仪，以支持大规模星系巡天。
• 通过设计一种新型光纤定位器（Echidna）解决主焦点空间受限的挑战，实现400个天体的复用。
• 通过集成OH空气辉光抑制和热屏蔽滤光片，实现近红外波段的高光谱效率和低背景水平。
• 通过工程观测和关键子系统的在轨测试验证系统性能。
• 通过提供深度、大视场的近红外光谱观测并具备高复用优势，支持宇宙学和星系演化研究。

提出的方法

• FMOS 使用三元件近红外校正器（0.9–1.8 μm）在主焦点处提供30′直径的视场。
• 一种新型光纤定位器Echidna利用压电驱动的四象限管，在15分钟内实现400根光纤的亚10 μm精度定位。
• 系统采用两台冷却红外光谱仪（IRS1和IRS2），配备VPH光栅和热屏蔽滤光片，以抑制背景噪声。
• 光纤馈送系统通过70米长的光纤将主焦点与光谱仪连接，保持高透过率。
• 安装在XY龙门架上的焦面相机（FPI）可实现光纤的迭代定位和天空图像获取，用于视场获取。
• 通过使用阻断因子约为10的掩模实现OH空气辉光抑制，未来仍有进一步改进潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 光纤馈电多目标光谱仪是否能在近红外波段、30′视场内同时观测400个天体？
• RQ2 Echidna光纤定位系统可实现的配置精度和重新配置时间是多少？
• RQ3 该光谱系统中热背景和OH空气辉光背景的抑制程度如何？
• RQ4 在低分辨率模式下，深度巡天可实现的极限星等和信噪比是多少？
• RQ5 系统效率与理论预期相比如何？性能受限于哪些因素？

主要发现

• 经过7次迭代后，Echidna系统98%的光纤位于目标位置的10 μm以内，重新配置时间少于15分钟。
• 通过光栅扫描测量的光纤配置精度低于0.′′15，自动导星精度低于0.′′18。
• 从主焦点到探测器的系统透过率达10%，与预期一致，但实际效率为7%，主要受光纤错配和损耗影响。
• IRS1中的热背景抑制接近理想性能，表明制冷机和滤光片工作有效。
• 在低分辨率模式下，1小时积分时间内，J = 20.1 mag 和 H = 19.8 AB mag 的极限星等可实现S/N = 5。
• 在1小时积分后，J波段和H波段中均能检测到1 × 10⁻¹⁶ erg cm⁻² s⁻¹的发射线流量，S/N = 5。