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第八届星际物理与化学研讨会(珠海2021)



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    天文学科是以观测为基础的学科,随着近年来国家对天文学科的投入不断加大,一批地面和空间天文观测设备正在建设并陆续投入使用,这对高校天文人才的培养提出了新的要求。加强天文科研基地和实验室建设,对提升科研水平和培养高层次天文人才,至关重要。天文系从建系开始就非常重视学生在天文实测方面的培养,并于2001年经学校批准成立了天文教学综合实验室,承担对天文学教学和人才培养极其重要的所有天文教学设备的建设、管理和运行任务。

    在学校的大力支持下,经过近20年的建设,天文教学综合实验室完成了多项重要的实验设备项目建设,极大地改善了校内实验和校外实习条件,成为天文人才培养的重要平台,是国内综合实力最强的天文教学实验室之一。实验室已建成了较为完善的校内天文实验设备体系,包括一台40厘米反射望远镜、一台40厘米折反射望远镜和一台2.3米射电望远镜、10台10厘米小型折射望远镜、3台8厘米日珥镜,以及天象厅和太阳塔(光谱仪)等大型设备,固定资产总额近千万元。在这些设备的支撑下,实验室每年承担本校天文专业、全校和校际非天文专业共15门课的天文实验教学,为学生提供丰富的天文实验操作体验,每年实验人数近400,实验总人时数达1500,实践教学的总体水平在国内高校天文单位首屈一指。

    除了校内建设,实验室还协助系里和中国科学院国家天文台、上海天文台、云南天文台、新疆天文台和陕西国家授时中心等单位在设备建设和人才培养方面开展密切合作,建设了多个北京师范大学校外天文教学科研基地。实验室与国家天文台联合建立了兴隆天文学实践基地,并在兴隆观测基地共建了一台85厘米望远镜,命名为“国家天文台—北京师范大学望远镜(NBT)”;与云南天文台联合建立了北京师范大学云南天文台天文学实践基地,并在云南天文台共建了一台60厘米望远镜,命名为“云南天文台—北京师范大学望远镜(YBT)”。

    在学校和系里的大力支持下,实验室还与中国科学院国家天文台和新疆天文台在新疆慕仕塔格址点共建了一台口径为50厘米的高分辨率望远镜;与中宇天仪(北京)科技有限公司和中国科学院新疆天文台在新疆南山观测站共建一台口径为50厘米的全自动大视场望远镜。前者已于2019年7月成功安装于新疆慕仕塔格址点,后者正在进行出厂测试,预计2020年底将在新疆南山观测站完成安装。更重要的是,天文教学综合实验室协助系里启动了与中国科学院南京天文光学技术研究所、中国科学院国家天文台和新疆天文台共建的1.9米光学望远镜的项目。这些举措将使北京师范大学天文系拥有国内一流的光学天文教学和研究平台,为培养天文实测高端人才奠定坚实的基础。

一、校内设备

1.1 物理楼太阳塔(光谱仪)

太阳塔评审会合影

太阳塔光谱室(物理楼215)

太阳塔操作室(物理楼214)

太阳塔圆顶内部(物理楼顶)

 

    物理楼太阳塔于天文系建系后不久由我系师生独立自主建成,位于物理楼中段西北角,纵深约20米。无论从历史价值、人文价值,还是科研教学价值,对太阳塔进行合理修缮、改造、运行与维护都是非常有必要的和有意义的。改造太阳塔并建设新的太阳光谱仪将使实验室能重新开设高分辨率光谱的拍摄及数据处理的实验,进一步丰富并完善天文系“实测天文”教学的特色,结合开设的低分辨率恒星光谱实验和原有的CCD成像和测光实验,基本形成完整的实测天体物理的实验体系,使天文系的实践天文教学更上新台阶。

    太阳塔改造项目于2016年正式立项,中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地中标。整个改造项目分为两期,历时2年建设,第一期完成了对原有定天镜光学、电控和机械改造,重建了天文圆顶,实现了对太阳的高精度自动跟踪功能;第二期新建了成像光学系统和光栅光谱仪系统,配置科学级终端设备,实现太阳高分辨率光谱观测,满足教学与科研相结合的需求。2018年12月22日,项目顺利通过评审验收会。目前,天文教学综合实验室已结合太阳塔和天文实验教学课程,设计了“定标汞灯的光谱拍摄与证认”、“太阳高分辨率光谱的拍摄与谱线证认”等实验。

1.2 WWT互动式数字天象厅

    2014年10月,天文系WWT(World-Wide Telescope)互动式数字天象厅在物理楼顶建成,北师大成为国内第一个拥有互动式数字天象厅的高校。天象厅直径约4米,每次可容纳20人上课。教师可在其中生动地演示天象,增强教学效果;学生可以直观了解四季星空及其变化,并利用WWT软件制作新的天象节目,培养创新思维和动手能力。

    天象厅的建成既可满足天文专业课和天文公选课的教学需求,也可用于天文夏令营和校园开放日等活动,在天文教学和天文科普中都发挥了积极作用。作为国内高校第一个WWT互动式数字天象厅,实验室的相关建设经验为其他高校天文单位建设同类型天象厅提供了参考,实验室设计的相关实验课程也被其他高校采纳。

教十楼顶天象厅

天象厅体验

1.3 教九楼顶40厘米望远镜

    40厘米反射望远镜位于曾宪梓楼(教九楼)天文台,1985年购于日本西村光学制作所。其主镜口径为40厘米,焦距为6米,光学系统为卡塞格林(R-C)系统;副镜为开普勒式折射望远镜,口径15公分,焦距1.98米。其后端配备了数码照相机,CCD成像系统,光谱摄谱仪及太阳黑子投影板,可以进行目视、照相、光谱及太阳黑子投影观测。这台望远镜主要用于天文系的专业课实验教学,校内、校际公选课实验教学及天文科普活动,是对外开展天文普及的重要观测设备。

    2015年,实验室请国家天文台兴隆观测基地专家帮助改造了该40厘米望远镜,新增了亮恒星的低分辨率光谱的拍摄和数据处理实验。但由于圆顶年老失修,目前该望远镜的教学运行受到了部分影响。

教九楼顶40厘米反射望远镜

1.4 科技楼顶40厘米望远镜
    Meade LX200折反式光学望远镜位于我校科技楼天文台,由美国Meade公司1999年生产。其口径40公分,焦距4米,光学系统为施密特-卡塞格林系统。后端配备了CCD成像系统,采用GPS自动校时系统,可以进行各种天体的夜间目视与照相观测。它曾主要用于本系专业课实验教学,本科基金项目,大学生创新计划观测等,是曾支持我系教学及本科科研项目的主要观测设备。但由于该望远镜赤道仪损坏,维修困难,目前该望远镜已拆除,新的望远镜正在建设中。

科技楼顶40厘米折反射望远镜

1.5 2.3米口径小型射电望远镜

    天文系于2007年从美国购置了一台小型射电望远镜,口径为2.3米,主要工作在1400MHz-1440MHz,可以观测银河系的中性氢辐射,太阳射电辐射等。该仪器配有多平台下的JAVA控制程序,用来控制望远镜和获取数据。该射电望远镜可配合射电天文学课程,开展多项射电天文观测的教学实验。

2.3米口径小型射电望远镜

二、校外共建设备

2.1、“国家天文台—北京师范大学望远镜”

    从2001年起,天文系和国家天文台多次签署合作协议,在人才培养、设备研发、教学和学术交流等方面开展了全方位的合作,并在国家天文台兴隆观测基地建立了北京师范大学天文教学实践基地。2006年,天文系与中国科学院国家天文台共同出资,在兴隆观测基地共建改造了一台85厘米望远镜,命名为“国家天文台—北京师范大学望远镜”,简称“NBT”。2012年,天文系又为NBT望远镜购置一台新的高性能CCD相机。依托兴隆北师大天文教学实践基地和NBT望远镜,天文系获批北京市级校外人才培养基地建设项目,共建产出的科研成果在兴隆站观测设备运行绩效评估中长期名列前茅,获得了中国科学院院长白春礼等领导的高度赞扬和肯定。

国家天文台—北京师范大学望远镜(NBT)

2.2 “云南天文台—北京师范大学望远镜”

    为了更好地加强在天文教学中的实践环节,充分利用天文台的天文观测仪器,培养高素质的天文人才,中国科学院云南天文台与北京师范大学天文系于2008年共同签署了《中国科学院云南天文台-北京师范大学天文系共建“天文教学实践基地”的协议》,随后从2008年起共同建设了云南天文台凤凰山基地的60公分天文望远镜,命名为“云南天文台-北京师范大学望远镜(YBT)”,对该望远镜进行了自动化改造,并为该望远镜配备了新的CCD相机。十多年来,双方在教学、科研和基地建设方面进行了良好的合作,取得了较好的效果。

云南天文台-北京师范大学望远镜(YBT

2.3 慕士塔格50厘米高分辨率望远镜

    2019年7月底,经过十天奋战,天文系放置于新疆慕士塔格天文选址点的50厘米望远镜顺利安装完毕。该望远镜是天文系与中科院国家天文台、新疆天文台共建的一台高分辨率光学望远镜,望远镜由北师大出资建造,由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中标研制。新疆慕士塔格天文选址点是国家天文台大型光学红外望远镜台址组的重点监测点之一,初步监测结果显示其为潜在的世界级优秀台址。由于慕士塔格址点海拔高达4520米,台址尚未正式开发,条件艰苦,望远镜的运输、安装和调试难度极大。天文教学综合实验室的老师们亲临一线,与长春光机所及新疆天文台的同志共同奋战,克服种种困难,顺利将望远镜安装完毕,并进行了望远镜相关性能的现场调试。

    基于新疆慕士塔格候选台址的优良观测条件和望远镜设计水平、终端仪器的技术进步,该50厘米望远镜的综合实测能力预计将能达到普通台址1米口径望远镜的水平,它的建成有效地缓解了我系专属天文观测时间的不足,将在天文实测的科研和教学方面提升我校天文学科的实力。现该望远镜已进入后期调试和试运行阶段,天文教学综合实验室将和共建单位一起完善该望远镜的自动化程序观测功能,争取尽快验证望远镜的各项技术指标,通过项目验收,正式为我校天文学科及双一流建设服务。

2.5 南山50厘米大视场全自动望远镜

    天文系拥有优良的天文实测理论、课程和教师队伍,培养了许多优秀的天文人才。中国科学院新疆天文台是国内重要的天文研究机构,管理和运行南山、奇台和慕士塔格等优秀天文实测基地/台址;中宇天仪(北京)科技有限公司是国内近年来异军突起的望远镜制造企业,并且长期支持国内天文科普圈的开放和发展。为结合三家单位的各自优势,进一步提升天文系的科研和教学条件,依托新疆天文台南山观测站的优良观测条件和丰富的管理与运行经验,应用和推广中宇天仪的望远镜技术,打造高校、科研单位与企业三方合作的典范,上述三方经充分商议后,拟在新疆天文台南山观测基地合作建设一台口径为50厘米全自动远程控制望远镜,以LAMOST中分辨率光谱观测天区的时序三色测光为主要观测计划,进一步与新疆天文台共建高水平的实测天文教学基地,提升我系天文实践教学和科研条件,培养更多高素质的实测天文人才。

    实验室将申请资金购买一台9K×9K的CCD相机,配备BVR三色滤光片系统;中宇天仪公司将出资设计并制造一台口径为50公分的全自动大视场(直径6度)望远镜,包括配套的赤道仪,负责运输和安装,并将在望远镜建成后把所有权赠与北师大;新疆台在南山观测站为该望远镜提供合适的放置地点,出资建设圆顶。截至2020年5月,望远镜圆顶业已建设完成,望远镜本体正在进行紧张的厂内测试,CCD相机的研制工作也在紧张进行中。

三、未来展望——1.9米望远镜

    近年来,国内众多高校都投入巨资,建设口径更大的、更自动化的、更尖端的、性能更好的望远镜,以促进高校天文的飞跃发展。其中,山东大学威海天文台于2007年建设的1米口径望远镜曾是国内高校口径最大的科研用光学天文望远镜;南京大学与云南天文台于2010年在云南抚仙湖共建了1米口径的光学及红外太阳爆发监视望远镜,最近甚至酝酿投资亿元以上,建设一台2.5米口径的光学望远镜;中山大学为天琴引力波项目建造了1米口径的天文望远镜;中国科技大学与中国科学院紫金山天文台共建的2.5米大视场望远镜已于2019年完成招标,现正在成都由中国科学院光电技术研究所建造;云南大学物理与天文学院也正布局建设1.6米口径的多通道测光巡天望远镜。高校实测天文竞争非常激烈。

    因此,建设直接隶属于北京师范大学的天文望远镜,不仅是天文系努力建设一流天文学科的必经之路,对我校天文学科的发展和天文人才的培养具有至关重要的作用,也将是北京师范大学建设世界一流大学有力支持。为此,北京师范大学天文系拟作为主要出资方,与中国科学院南京天文光学技术研究所、中国科学院新疆天文台、国家天文台及其他单位合作,在我国潜在的世界级天文台址新疆慕士塔格选址点,建设一台口径为1.9米的光学望远镜,采取远程控制全自动观测模式,配备多色测光和中低色散光谱观测设备。

    在传统天文学进入时域天文学的黄金时代,1.9米望远镜将致力于各类时域暂现源、引力波电磁对应体、超新星及其前身星、变星、活动星系核、星团、系外行星、近地小天体的研究,利用其所处台址的独特地理经度,填补国内、国际时域天文的时区空白,成为国际时域天文网络的关键一环。同时,北京师范大学天文系将围绕该望远镜建设国内一流的光学天文研究平台,吸引各类优秀人才,培养高端天文实测人才,提升北京师范大学天文系在国内天文学科的地位,成为北京师范大学“双一流”建设的亮点之一。