薇拉·鲁宾天文台

薇拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）是由美国国家科学基金会和美国能源部科学办公室联合建立的天文台，位于智利北部，该天文台的建立可追溯至2001年提出的大口径全天巡视望远镜（Large Synoptic Survey Telescope，缩写为LSST）。

2019年7月23日，落地该望远镜项目的天文台被命名为薇拉·鲁宾，以纪念其证实了星系中有暗物质的存在。此后LSST改指为，由薇拉·鲁宾天文台的核心设备：西蒙尼巡天望远镜（Simonyi Survey Telescope）将执行的时空遗珍巡天项目（Legacy Survey of Space and Time，简写为LSST），该项目旨对南半球天空进行为期十年的系统性扫描和观测，用于研究有关宇宙结构和演化以及暗能量和暗物质等问题。

西蒙尼巡天望远镜的主镜达8.4米，并搭载有迄今为止最大的数码相机：LSST相机，该相机重约2.8吨，大小与SUV相当，像素达32亿。

鲁宾天文台于2001年被提议建造，当时名为LSST，其镜面建造于2007年开始（使用私人资金）。LSST随后成为2010年天文学和天体物理学十年调查中排名最高的大型地面项目，该项目于2014年8月1日正式开始建造，当天美国国家科学基金会 (NSF) 批准了2014财年的部分建设预算（$2750万美元）。资金来自NSF、美国能源部，以及专门的国际非营利组织“LSST发现联盟”（LSST Discovery Alliance）筹集的私人资金。营运由大学天文研究协会 (AURA) 管理。预计总建设成本约$6.8亿美元。

2015年4月14日，随着第一块石头的隆重奠基，现场建设正式开始。使用工程相机进行的首次对空观测发生在2024年10月24日，而系统的开光图像则于2025年6月23日发布。由于COVID疫情相关的进度延迟，全面的巡天勘测作业计划于2025年晚些时候开始。数据计划在两年后全面公开。

## 名称

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该望远镜原名为“大型同步巡天望远镜”（Large Synoptic Survey Telescope，LSST），其中synoptic一词源自希腊字σύν (syn ‘together“) 和 ὄψις (opsis ”view’) - 用来形容对某个主题有广阔视野的观测。2019年6月，在美国众议员艾迪·伯尼斯·强森和詹妮弗·冈萨雷斯的发起下，天文台由大型同步巡天望远镜 (LSST) 更名为薇拉·鲁宾天文台。更名于2019年12月20日制定为美国法律，并于2020年美国天文学会冬季会议上宣布。天文台以薇拉·鲁宾（Vera C. Rubin）命名。这个名字是为了纪念鲁宾和她的同事们通过对数十亿个星系进行时空映射和编目来探究暗物质本质的遗志。

望远镜本身被命名为西蒙尼巡天望远镜，以私人捐款人查尔斯（Charles）和丽莎·西蒙尼（Lisa Simonyi）命名。

保留LSST的首字母缩写是为了指代该天文台将执行的巡天，即“时空遗珍巡天项目”（Legacy Survey of Space and Time），将执行巡天的摄相机称为“LSST相机”（LSST Camera）。

## 西蒙尼巡天望远镜

薇拉·鲁宾天文台的核心天文观测设备是西蒙尼巡天望远镜，该望远镜是一台8.4米口径、视场直径3.5度的大型综合巡天望远镜。其主要由三个部分构成：

### 望远镜支架

望远镜支架 (TMA) 负责将望远镜精确定位、并为观测做好准备。

望远镜支架及其所在的固定墩本身就是一项庞大的工程项目。主要的技术问题在于望远镜必须旋转3.5度到邻近的视场，并在4秒钟内稳定下来。两次曝光之间允许5秒钟的时间，但有1秒钟是预留给镜子和仪器的对准，剩下的4秒钟是用于结构调整。这需要非常坚硬的固定墩和望远镜支架，以及非常高速的回转和加速度（分别为10°/sec 和10°/sec2）。

### 光学元件

西蒙尼巡天望远镜的光学元件部分是由三个曲面非球面透镜组成，其中最大的主镜直径达8.4米，第一副镜口径为3.4米，将装置在主镜一个大孔内的第二副镜口径是5米。西蒙尼巡天望远镜的视野高达直径3.5度（9.6平方度）。相比较之下，在地球所见太阳和月球的视直径是0.5度（0.2平方度）。再加上LSST的巨大口径使它收集光线能力极强，光学扩展量高达319m²degree²。

主镜上的大孔减少了35平方米的平方面积，因此主镜实际集光面积相当于直径6.68米镜片（集光面积和视野的乘积得到，光学扩展量是336 m²degree²；但实际表现会因为晕影而降低）。LSST的主镜和第二次镜将会是单一镜片。

### LSST相机

LSST相机的诞生，分别夺得：最大镜头与最高分辨率的数码相机这两项吉尼斯世界纪录。其镜头由美国公司Ball Aerospace及其分包商Arizona Optical Systems制造。

LSST相机集成有三个巨大的镜头，其最大的镜头直径为1.57米，另外两个镜头分别为1.2米和0.72米。这三枚镜头会收集来自西蒙尼巡天望远镜8.4米主镜的光线并聚焦至其焦平面上。其图像传感器是由189个CCD组成的阵列（每个传感器的分辨率为$4096\times4097$像素（1600万像素），总分辨率达32亿像素）。

待正式投入使用后，其视野将达到 9.6平方度，预估该相机每晚可摄制多达15TB的图像。该相机集成有六种滤镜，但受空间限制，相机的滤镜转盘仅能容纳五个滤镜，第六个滤镜将独立存储，并在需要时通过滤镜装载器进行替换调用。LSST相机的最佳波长范围是320至1050纳米（近紫外到近红外），将据此开展时空遗珍巡天项目：南天球$2\times10^4deg^2$天区面积的u、g、r、i、z、y共6个波段的巡天观测，该观测活动将每三天巡测一遍，并持续工作十年，其获取的数据将用于创建包含数百亿颗恒星、星系和天体的超宽、超高清、缩时摄影的宇宙记录，专家将据此研究暗物质和暗能量、太阳系天体、时域天文和银河系等。

因为要考虑到望远镜稳定性、不良气候等不利因素；LSST相机每年要拍摄超过人员所能分析的超过20万张影像，相当于高达1.28Petabyte未经过压缩的资料量。针对望远镜产生的大量资料，有效的管理和高效率资料探勘预期是该计划的其中一个科技上的难题。部分来自LSST的资料（最多30 TB）将可被Google作为及时互动式星图之用。

#### 工程测试相机（ComCam）

ComCam是LSST相机的缩小版，用于代替LSST相机先期与望远镜结合以便展开工程测试，该相机拥有九个CCD传感器，总分辨率为1.44亿像素。2024年10月24日至12月11日的七周时间里，试验团队共获取了约1.6万张曝光照片，以测试薇拉·鲁宾天文台的软/硬件系统以及网络。此后，LSST相机会安装在西蒙尼巡天望远镜以取代ComCam，以完成为期十年的时空遗珍巡天项目。

## 历史

LSST计划于2001年提出。2006年，LSST项目选址于智利北部科金博大区的帕穹山的伊尔佩恩峰（El Peñón），海拔2682米，就位在双子星天文台和南方天文物理研究望远镜的旁边。2007年，项目开始由私人资金资助建造。2008年1月，电脑软件界的两位大富豪，查尔斯·西蒙尼和比尔·盖兹分别捐赠两千万美金和一千万美金给LSST计划，据此该望远镜被命名为西蒙尼巡天望远镜。2007年11月，亚利桑那大学斯图尔德天文台镜面实验室成功制成西蒙尼巡天望远镜的镜片模具，并在2008年3月开始铸造，后于2008年9月初宣布其镜胚是“完美的”。

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LSST曾是2010年天文学和天体物理学十年调查中排名最高的大型地面项目。2014年8月1日，国家科学基金会批给该项目$2,750万美元的建筑预算，宣告该项目正式开始。2015年4月14日，奠基仪式启动，该项目正式开工。项目预算达$6.75亿美元。

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2019年，负责设计LSST相机镜头与滤镜制造的美国劳伦斯利佛摩国家实验室完工了LSST相机的三枚镜头，送至SLAC国家加速器实验室。同年6月，美国众议院科学、空间和技术委员会主席艾迪·伯尼斯·强森和国会女议员詹妮弗·冈萨雷斯发起了重新命名天文台的倡议，并于2019年12月20日颁布成为法律。2020年1月，美国国家科学基金会主任France Córdova在美国天文学会冬季会议上宣布，为表彰薇拉·鲁宾在暗物质方面的贡献，将前大口径全天巡视望远镜（LSST）更名为薇拉·鲁宾天文台，使其成为美国第一座以女性天文学家命名的国家天文台。

2021年10月，劳伦斯利佛摩国家实验室将其生产的LSST相机最后一块滤镜运抵美国SLAC国家加速器实验室，交由其完成LSST相机剩余部分。2024年5月，LSST相机从美国运抵智利。2025年3月，LSST相机已安装于西蒙尼巡天望远镜上。

完整仪器解析的第一批光子已于2025年4月15日侦测到，在仪器调整聚焦为点状之前，这些光子最初呈现为环状。2025年6月23日，全套望远镜和相机组合的第一张图像被发布。第一批预告图片是三叶星云和礁湖星云的合成图片，以及室女座星系团中众多星系的广域视图摘录室女座星团的影像是在五月初分四个晚上拍摄的。早期的影像显示有超过2000颗新的小行星。由于有来自28个国家的人员参与了仪器的调试工作，因此在六大洲都举行了发布会的观测会。

## 图像数据处理

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在考虑到维护、恶劣天气和其他突发事件的情况下，相机预计每年拍摄超过200,000张照片（未压缩的资料量为1.28 PB），远远超过人类所能审视的数量。管理并有效分析望远镜的庞大输出预计将是该专案在技术上最困难的部分。2010年，最初的电脑需求预估为100 teraflops的运算能力和15 petabytes的储存空间，并随着专案收集资料而增加。到2018年，估计已上升到250 teraflops和100 petabytes的储存空间。

影像拍摄完成后，会依据三种不同的时标来处理，即时的（60秒内）、每日的及每年的。

即时的警报产品是在观测后60秒内发布的警示，针对相对于该天区位置的存档影像中，亮度或位置发生变化的物体。在60秒内完成如此庞大影像的传输、处理与差异比对（过往方法处理较小影像尚需数小时），本身即构成重大软件工程挑战。此项处理将在加州某美国政府机密设施执行，以便识别可能暴露秘密资产的事件；相关数据将暂时封存三日，待敏感度降低后再行公开。

每晚将产生高达一千万则警报。每则警报包含：

- 用于唯一识别警报的警报编号与数据库识别码
- 已侦测天体的光度、天体测量及形状特征
- 模板影像与差异影像的裁切区（平均30×30像素，FITS格式）
- 该源过去侦测纪录的时间序列（最长达一年）
- 针对时间序列计算的摘要统计量（“特征”）

警报不设专有期——它们会立即对公众开放，因为目标是迅速传递天文台关于任何特定事件的几乎所有资讯，以利分类与决策。由于多数观测者仅对部分事件感兴趣，警报会传送至“事件中介者”，由其将筛选后的资讯转发给相关方。观测站将提供简易中介服务，并向外部事件中介机构提供完整的警报流。兹维基瞬变设施（Zwicky Transient Facility，缩写作ZTF）作为系统原型，每晚可产生一百万则警报。

每日的警报产品于观测后24小时内发布，包含当晚拍摄的影像及从差分影像衍生的源目录，其中包含太阳系天体的轨道参数。影像将以两种形式提供：原始快照（直接来自相机的数据）与单次观测影像（经处理后包含：仪器特征去除、背景估算、光源侦测、分离与测量、点扩散函数估算，以及天体测量与光度校正）。

每年的发布资料产品将每年提供一次，透过重新处理迄今为止的完整科学资料集生成。内容包含：

- 校正影像
- 位置、通量与形状测量数据
- 变异性资讯
- 光变曲线描述
- 基于差分成像技术的即时资料产品统一重新处理
- 约600万个太阳系天体目录及其轨道资料
- 约370亿天体目录（含200亿星系与170亿恒星），每项天体具备逾200项属性

年度发布资料将由美国国家超级电脑应用中心与法国IN2P3研究所(Institut national de physique nucléaire et de physique des particules)共同运算生成。

薇拉·鲁宾天文台每晚都会产生约20TB的数据并生成多达1000万条警报。有学者据此开发了Fink系统，该系统通过机器学习的方式，自动分析数据并进行分类、自动判断千新星、变星或Ia超新星等。学者可根据选定的过滤器对大量警报数据集进行排序，以供其快速找到有用的数据。

LSST软件管道均以开源软件的形式发布在GitHub上，软件的定期发布记录在LSST科学管道页面上。

## 科学目标

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薇拉·鲁宾天文台的主任务将覆盖南半球天空中约18,000平方度的区域。它将使用6个不同波段的滤光片，平均对每个天空区域进行约825次观察。在r-波段的极限星等（5σ）预计为24.5（单次曝光）和27.8（堆叠全部曝光后）。

主任务将占用约90%的观测时间，剩余的 10% 将用于提高特定目标和地区的覆盖率。这包括非常深（r 波段极限星等~ 26）的观测、非常短的重访时间（大约一分钟间隔）、对黄道、银河面、大小麦哲伦星云等“特殊”区域的观测，以及COSMOS和钱德拉望远镜南部深空巡天等多波长巡天详细覆盖的区域。这些特别项目加起来将使总面积增加到约 25,000平方度。

薇拉·鲁宾天文台的科学目标包括：

- 通过观测弱引力透镜、重子声学振荡和Ia型超新星来研究暗能量和暗物质，尤其是高红移范围。
- 绘制太阳系内小天体地图，特别是近地小行星和柯伊伯带天体。薇拉·鲁宾天文台预计将使已编目的天体数量增加10到100倍。它还将有助于寻找假想存在的第九行星。
- 探测新星、超新星、伽马射线爆发、类星体活动和引力透镜等瞬态天文事件，并提供及时的事件通知以便于后续跟进观测。
- 绘制银河系地图。

由于其广阔的视野和灵敏度，薇拉·鲁宾天文台有望成为探测LIGO和其他引力波天文台探测到的引力波事件的光学对应物的最佳仪器之一。

因为LSST将会产生大量资料，也可能有其他意外发现。

美国国会已委托NASA对90%直径大于140米的近地轨道小行星进行探测和分类。据估计，鲁宾天文台本身能够探测到62%的此类天体，而根据美国国家科学院的说法，将其调查时间从10年延长至12年将是完成这项任务最具成本效益的方式。

鲁宾天文台有一个教育和公众宣传 (EPO) 计划。鲁宾天文台EPO将服务于四类主要用户：普通公众、正规教育工作者、公民科学首席研究员以及非正式科学教育机构的内容开发者。鲁宾天文台将与Zooniverse合作开展多项公民科学项目。

## 卫星星座

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在长时间曝光拍摄时，卫星可能穿越视野范围，于影像中留下轨迹。虽然可透过建模技术移除轨迹，但残留的泊松噪声会大幅降低校正像素的讯噪比，致使影像失去科学价值。此问题因托洛洛山美洲际天文台（CTIO）拍摄的影像遭卫星编队穿越而备受关注。

星链（Starlink）已将7,000颗卫星送入近地轨道（LEO），并计划扩展至12,000颗，最终达34,400颗。148即使星链星座未达规划规模，柯伊伯计划（Project Kuiper）与一网公司(OneWeb)的近地轨道卫星星座仍引发对卫星影响天文影像的担忧。估计显示，凌晨与深夜拍摄的影像中，可能有30%至40%受到干扰。这将影响近地天体观测等科学任务，因这些天体必须与卫星在相同时段观测——两者皆需在黄昏时分接受太阳照射，方能在地球阴影遮蔽前完成观测。

天文台模拟了调整观测策略以避开卫星轨迹的方法。研究发现此举将增加转动时间，牺牲约10%的观测时间，但能使卫星轨迹数量减少一半。研究指出，即使在超大规模卫星星座（30,000颗卫星）的运作环境下，仍有8%的科学影像会出现卫星轨迹，导致约0.04%的科学像素点受影响。

## 图库

### 观测

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- 视频从2个星系开始，缩小至显示约1,000万个星系，结合鲁宾天文台拍摄的1100多张影像 (0m58s)

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- 三裂星云（上）和礁湖星云的视频，结合了鲁宾天文台的678幅图像(1分钟)

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- 薇拉·鲁宾天文台观察室女座星团的一小部分

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- NGC 4261是图像上方的大椭圆星系。

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- 4个在鲁宾天文台的三裂星云和礁湖星云图片中发现的天体范例

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- 螺旋星系NGC411b (左) 和NCG 4111a (右) 取自“宇宙百宝箱”（The Cosmic Treasure Chest）

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- NGC 4326 由薇拉·鲁宾天文台拍摄

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- NGC 4410 由薇拉·鲁宾天文台拍摄

### 天文台

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- 帕琼峰（Cerro Pachón）的晴朗天空

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- 建造中的薇拉·鲁宾天文台

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- 望远镜支架组件，在桥式起重机安装期间从圆顶拍摄

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- 鲁宾天文台摄影机的焦平面 – 宽60cm，拥有189个CCD感应器，可产生32亿像素的影像

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- 光学工程师贾斯汀·沃尔夫（Justin Wolfe）（左）和西蒙·科恩（Simon Cohen）与薇拉·鲁宾天文台相机上的r滤光片

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- 薇拉·鲁宾天文台相机利用两种冷却系统将温度降至零度以下

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- 伦纳德彗星、鲁宾天文台、金星和各种恒星

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- 薇拉·鲁宾天文台上空的夜光，地平线上可以看到一簇簇明亮的人造灯光，使天空变得更亮。

## 外部链接

- lsst.org
- rubinobservatory.org
- VRubinObs
- LSST项目的介绍论文（2018年5月23日版）
- 可筛选薇拉·鲁宾天文台警报数据流的Fink系统

## 基本资料

- 日语原文：薇拉·鲁宾天文台、Vera C. Rubin Observatory
- 组织：LSST Corporation
- 位置：智利伊尔佩恩峰（El Peñón）
- 坐标：30°S 14°W
- 高度：2,662.75 m (top of pier)
- 波长：320–1060 nm
- 启用：2015年秋季
- 网站：http://www.lsst.org/
- 口径：8.4 m、3.4m、5.0m
- 角分辨率：平均视宁度0.7″、0.2″ pixel size
- 面积：35 m²
- 焦长：9.9 m
- 架台：地平经纬仪