薇拉·魯賓天文台

薇拉·魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）是由美國國家科學基金會和美國能源部科學辦公室聯合建立的天文台，位於智利北部，該天文台的建立可追溯至2001年提出的大口徑全天巡視望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope，縮寫為LSST）。

2019年7月23日，落地該望遠鏡項目的天文台被命名為薇拉·魯賓，以紀念其證實了星系中有暗物質的存在。此後LSST改指為，由薇拉·魯賓天文台的核心設備：西蒙尼巡天望遠鏡（Simonyi Survey Telescope）將執行的時空遺珍巡天項目（Legacy Survey of Space and Time，簡寫為LSST），該項目旨對南半球天空進行為期十年的系統性掃描和觀測，用於研究有關宇宙結構和演化以及暗能量和暗物質等問題。

西蒙尼巡天望遠鏡的主鏡達8.4米，並搭載有迄今為止最大的數位相機：LSST相機，該相機重約2.8噸，大小與SUV相當，像素達32億。

魯賓天文台於2001年被提議建造，當時名為LSST，其鏡面建造於2007年開始（使用私人資金）。LSST隨後成為2010年天文學和天體物理學十年調查中排名最高的大型地面項目，該項目於2014年8月1日正式開始建造，當天美國國家科學基金會 (NSF) 批准了2014財年的部分建設預算（$2750萬美元）。資金來自NSF、美國能源部，以及專門的國際非營利組織「LSST發現聯盟」（LSST Discovery Alliance）籌集的私人資金。營運由大學天文研究協會 (AURA) 管理。預計總建設成本約$6.8億美元。

2015年4月14日，隨著第一塊石頭的隆重奠基，現場建設正式開始。使用工程相機進行的首次對空觀測發生在2024年10月24日，而系統的開光圖像則於2025年6月23日發布。由於COVID疫情相關的進度延遲，全面的巡天勘測作業計劃於2025年晚些時候開始。數據計劃在兩年後全面公開。

## 名稱

該望遠鏡原名為「大型同步巡天望遠鏡」（Large Synoptic Survey Telescope，LSST），其中synoptic一詞源自希臘字σύν (syn 『together「) 和 ὄψις (opsis」view』) - 用來形容對某個主題有廣闊視野的觀測。2019年6月，在美國眾議員艾迪·伯尼斯·強森和詹妮弗·岡薩雷斯的發起下，天文台由大型同步巡天望遠鏡 (LSST) 更名為薇拉·魯賓天文台。更名於2019年12月20日制定為美國法律，並於2020年美國天文學會冬季會議上宣佈。天文台以薇拉·魯賓（Vera C. Rubin）命名。這個名字是為了紀念魯賓和她的同事們通過對數十億個星系進行時空映射和編目來探究暗物質本質的遺志。

望遠鏡本身被命名為西蒙尼巡天望遠鏡，以私人捐款人查爾斯（Charles）和麗莎·西蒙尼（Lisa Simonyi）命名。

保留LSST的首字母縮寫是為了指代該天文台將執行的巡天，即「時空遺珍巡天項目」（Legacy Survey of Space and Time），將執行巡天的攝相機稱為「LSST相機」（LSST Camera）。

## 西蒙尼巡天望遠鏡

薇拉·魯賓天文台的核心天文觀測設備是西蒙尼巡天望遠鏡，該望遠鏡是一台8.4米口徑、視場直徑3.5度的大型綜合巡天望遠鏡。其主要由三個部分構成：

### 望遠鏡支架

望遠鏡支架 (TMA) 負責將望遠鏡精確定位、並為觀測做好準備。

望遠鏡支架及其所在的固定墩本身就是一項龐大的工程項目。主要的技術問題在於望遠鏡必須旋轉3.5度到鄰近的視場，並在4秒鐘內穩定下來。兩次曝光之間允許5秒鐘的時間，但有1秒鐘是預留給鏡子和儀器的對准，剩下的4秒鐘是用於結構調整。這需要非常堅硬的固定墩和望遠鏡支架，以及非常高速的回轉和加速度（分別為10°/sec 和10°/sec2）。

### 光學元件

西蒙尼巡天望遠鏡的光學元件部分是由三個曲面非球面透鏡組成，其中最大的主鏡直徑達8.4米，第一副鏡口徑為3.4米，將裝置在主鏡一個大孔內的第二副鏡口徑是5米。西蒙尼巡天望遠鏡的視野高達直徑3.5度（9.6平方度）。相比較之下，在地球所見太陽和月球的視直徑是0.5度（0.2平方度）。再加上LSST的巨大口徑使它收集光線能力極強，光學擴展量高達319m²degree²。

主鏡上的大孔減少了35平方公尺的平方面積，因此主鏡實際集光面積相當於直徑6.68公尺鏡片（集光面積和視野的乘積得到，光學擴展量是336 m²degree²；但實際表現會因為暈影而降低）。LSST的主鏡和第二次鏡將會是單一鏡片。

### LSST相機

LSST相機的誕生，分別奪得：最大鏡頭與最高解析度的數位相機這兩項金氏世界紀錄。其鏡頭由美國公司Ball Aerospace及其分包商Arizona Optical Systems製造。

LSST相機集成有三個巨大的鏡頭，其最大的鏡頭直徑為1.57米，另外兩個鏡頭分別為1.2米和0.72米。這三枚鏡頭會收集來自西蒙尼巡天望遠鏡8.4米主鏡的光線並聚焦至其焦平面上。其圖像傳感器是由189個CCD組成的陣列（每個傳感器的解析度為$4096\times4097$像素（1600萬像素），總解析度達32億像素）。

待正式投入使用後，其視野將達到 9.6平方度，預估該相機每晚可攝製多達15TB的圖像。該相機集成有六種濾鏡，但受空間限制，相機的濾鏡轉盤僅能容納五個濾鏡，第六個濾鏡將獨立存儲，並在需要時通過濾鏡裝載器進行替換調用。LSST相機的最佳波長範圍是320至1050納米（近紫外到近紅外），將據此開展時空遺珍巡天項目：南天球$2\times10^4deg^2$天區面積的u、g、r、i、z、y共6個波段的巡天觀測，該觀測活動將每三天巡測一遍，並持續工作十年，其獲取的數據將用於創建包含數百億顆恆星、星系和天體的超寬、超高畫質、縮時攝影的宇宙記錄，專家將據此研究暗物質和暗能量、太陽系天體、時域天文和銀河系等。

因為要考慮到望遠鏡穩定性、不良氣候等不利因素；LSST相機每年要拍攝超過人員所能分析的超過20萬張影像，相當於高達1.28Petabyte未經過壓縮的資料量。針對望遠鏡產生的大量資料，有效的管理和高效率資料探勘預期是該計畫的其中一個科技上的難題。部分來自LSST的資料（最多30 TB）將可被Google作為及時互動式星圖之用。

#### 工程測試相機（ComCam）

ComCam是LSST相機的縮小版，用於代替LSST相機先期與望遠鏡結合以便展開工程測試，該相機擁有九個CCD傳感器，總解析度為1.44億像素。2024年10月24日至12月11日的七周時間裡，試驗團隊共獲取了約1.6萬張曝光照片，以測試薇拉·魯賓天文台的軟/硬體系統以及網路。此後，LSST相機會安裝在西蒙尼巡天望遠鏡以取代ComCam，以完成為期十年的時空遺珍巡天項目。

## 歷史

LSST計劃於2001年提出。2006年，LSST項目選址於智利北部科金博大區的帕穹山的伊爾佩恩峰（El Peñón），海拔2682公尺，就位在雙子星天文台和南方天文物理研究望遠鏡的旁邊。2007年，項目開始由私人資金資助建造。2008年1月，電腦軟體界的兩位大富豪，查爾斯·西蒙尼和比爾·蓋茲分別捐贈兩千萬美金和一千萬美金給LSST計畫，據此該望遠鏡被命名為西蒙尼巡天望遠鏡。2007年11月，亞利桑那大學斯圖爾德天文台鏡面實驗室成功製成西蒙尼巡天望遠鏡的鏡片模具，並在2008年3月開始鑄造，後於2008年9月初宣佈其鏡胚是「完美的」。

LSST曾是2010年天文學和天體物理學十年調查中排名最高的大型地面項目。2014年8月1日，國家科學基金會批給該項目$2,750萬美元的建築預算，宣告該項目正式開始。2015年4月14日，奠基儀式啟動，該項目正式開工。項目預算達$6.75億美元。

2019年，負責設計LSST相機鏡頭與濾鏡製造的美國勞倫斯利佛摩國家實驗室完工了LSST相機的三枚鏡頭，送至SLAC國家加速器實驗室。同年6月，美國眾議院科學、空間和技術委員會主席艾迪·伯尼斯·強森和國會女議員詹妮弗·岡薩雷斯發起了重新命名天文台的倡議，並於2019年12月20日頒布成為法律。2020年1月，美國國家科學基金會主任France Córdova在美國天文學會冬季會議上宣布，為表彰薇拉·魯賓在暗物質方面的貢獻，將前大口徑全天巡視望遠鏡（LSST）更名為薇拉·魯賓天文台，使其成為美國第一座以女性天文學家命名的國家天文台。

2021年10月，勞倫斯利佛摩國家實驗室將其生產的LSST相機最後一塊濾鏡運抵美國SLAC國家加速器實驗室，交由其完成LSST相機剩餘部分。2024年5月，LSST相機從美國運抵智利。2025年3月，LSST相機已安裝於西蒙尼巡天望遠鏡上。

完整儀器解析的第一批光子已於2025年4月15日偵測到，在儀器調整聚焦為點狀之前，這些光子最初呈現為環狀。2025年6月23日，全套望遠鏡和相機組合的第一張圖像被發布。第一批預告圖片是三葉星雲和礁湖星雲的合成圖片，以及室女座星系團中眾多星系的廣域視圖摘錄室女座星團的影像是在五月初分四個晚上拍攝的。早期的影像顯示有超過2000顆新的小行星。由於有來自28個國家的人員參與了儀器的調試工作，因此在六大洲都舉行了發佈會的觀測會。

## 圖像數據處理

在考慮到維護、惡劣天氣和其他突發事件的情況下，相機預計每年拍攝超過200,000張照片（未壓縮的資料量為1.28 PB），遠遠超過人類所能審視的數量。管理並有效分析望遠鏡的龐大輸出預計將是該專案在技術上最困難的部分。2010年，最初的電腦需求預估為100 teraflops的運算能力和15 petabytes的儲存空間，並隨著專案收集資料而增加。到2018年，估計已上升到250 teraflops和100 petabytes的儲存空間。

影像拍攝完成後，會依據三種不同的時標來處理，即時的（60秒內）、每日的及每年的。

即時的警報產品是在觀測後60秒內發布的警示，針對相對於該天區位置的存檔影像中，亮度或位置發生變化的物體。在60秒內完成如此龐大影像的傳輸、處理與差異比對（過往方法處理較小影像尚需數小時），本身即構成重大軟體工程挑戰。此項處理將在加州某美國政府機密設施執行，以便識別可能暴露秘密資產的事件；相關數據將暫時封存三日，待敏感度降低後再行公開。

每晚將產生高達一千萬則警報。每則警報包含：

- 用於唯一識別警報的警報編號與資料庫識別碼
- 已偵測天體的光度、天體測量及形狀特徵
- 模板影像與差異影像的裁切區（平均30×30像素，FITS格式）
- 該源過去偵測紀錄的時間序列（最長達一年）
- 針對時間序列計算的摘要統計量（「特徵」）

警報不設專有期——它們會立即對公眾開放，因為目標是迅速傳遞天文台關於任何特定事件的幾乎所有資訊，以利分類與決策。由於多數觀測者僅對部分事件感興趣，警報會傳送至「事件中介者」，由其將篩選後的資訊轉發給相關方。觀測站將提供簡易中介服務，並向外部事件中介機構提供完整的警報流。茲維基瞬變設施（Zwicky Transient Facility，縮寫作ZTF）作為系統原型，每晚可產生一百萬則警報。

每日的警報產品於觀測後24小時內發布，包含當晚拍攝的影像及從差分影像衍生的源目錄，其中包含太陽系天體的軌道參數。影像將以兩種形式提供：原始快照（直接來自相機的數據）與單次觀測影像（經處理後包含：儀器特徵去除、背景估算、光源偵測、分離與測量、點擴散函數估算，以及天體測量與光度校正）。

每年的發布資料產品將每年提供一次，透過重新處理迄今為止的完整科學資料集生成。內容包含：

- 校正影像
- 位置、通量與形狀測量數據
- 變異性資訊
- 光變曲線描述
- 基於差分成像技術的即時資料產品統一重新處理
- 約600萬個太陽系天體目錄及其軌道資料
- 約370億天體目錄（含200億星系與170億恆星），每項天體具備逾200項屬性

年度發布資料將由美國國家超級電腦應用中心與法國IN2P3研究所(Institut national de physique nucléaire et de physique des particules)共同運算生成。

薇拉·魯賓天文台每晚都會產生約20TB的數據並生成多達1000萬條警報。有學者據此開發了Fink系統，該系統通過機器學習的方式，自動分析數據並進行分類、自動判斷千新星、變星或Ia超新星等。學者可根據選定的過濾器對大量警報數據集進行排序，以供其快速找到有用的數據。

LSST軟體管道均以開源軟體的形式發佈在GitHub上，軟體的定期發布記錄在LSST科學管道頁面上。

## 科學目標

薇拉·魯賓天文台的主任務將覆蓋南半球天空中約18,000平方度的區域。它將使用6個不同波段的濾光片，平均對每個天空區域進行約825次觀察。在r-波段的極限星等（5σ）預計為24.5（單次曝光）和27.8（堆疊全部曝光後）。

主任務將占用約90%的觀測時間，剩餘的 10% 將用於提高特定目標和地區的覆蓋率。這包括非常深（r 波段極限星等~ 26）的觀測、非常短的重訪時間（大約一分鐘間隔）、對黃道、銀河面、大小麥哲倫星雲等「特殊」區域的觀測，以及COSMOS和錢德拉望遠鏡南部深空巡天等多波長巡天詳細覆蓋的區域。這些特別項目加起來將使總面積增加到約 25,000平方度。

薇拉·魯賓天文台的科學目標包括：

- 通過觀測弱引力透鏡、重子聲學振盪和Ia型超新星來研究暗能量和暗物質，尤其是高紅移範圍。
- 繪製太陽系內小天體地圖，特別是近地小行星和柯伊伯帶天體。薇拉·魯賓天文台預計將使已編目的天體數量增加10到100倍。它還將有助於尋找假想存在的第九行星。
- 探測新星、超新星、伽馬射線爆發、類星體活動和引力透鏡等瞬態天文事件，並提供及時的事件通知以便於後續跟進觀測。
- 繪製銀河系地圖。

由於其廣闊的視野和靈敏度，薇拉·魯賓天文台有望成為探測LIGO和其他引力波天文台探測到的引力波事件的光學對應物的最佳儀器之一。

因為LSST將會產生大量資料，也可能有其他意外發現。

美國國會已委託NASA對90%直徑大於140米的近地軌道小行星進行探測和分類。據估計，魯賓天文台本身能夠探測到62%的此類天體，而根據美國國家科學院的說法，將其調查時間從10年延長至12年將是完成這項任務最具成本效益的方式。

魯賓天文台有一個教育和公眾宣傳 (EPO) 計劃。魯賓天文台EPO將服務於四類主要使用者：普通公眾、正規教育工作者、公民科學首席研究員以及非正式科學教育機構的內容開發者。魯賓天文台將與Zooniverse合作開展多項公民科學項目。

## 衛星星座

在長時間曝光拍攝時，衛星可能穿越視野範圍，於影像中留下軌跡。雖然可透過建模技術移除軌跡，但殘留的泊松噪聲會大幅降低校正像素的訊噪比，致使影像失去科學價值。此問題因托洛洛山美洲際天文台（CTIO）拍攝的影像遭衛星編隊穿越而備受關注。

星鏈（Starlink）已將7,000顆衛星送入近地軌道（LEO），並計劃擴展至12,000顆，最終達34,400顆。148即使星鏈星座未達規劃規模，柯伊伯計畫（Project Kuiper）與一網公司(OneWeb)的近地軌道衛星星座仍引發對衛星影響天文影像的擔憂。估計顯示，凌晨與深夜拍攝的影像中，可能有30%至40%受到干擾。這將影響近地天體觀測等科學任務，因這些天體必須與衛星在相同時段觀測——兩者皆需在黃昏時分接受太陽照射，方能在地球陰影遮蔽前完成觀測。

天文台模擬了調整觀測策略以避開衛星軌跡的方法。研究發現此舉將增加轉動時間，犧牲約10%的觀測時間，但能使衛星軌跡數量減少一半。研究指出，即使在超大規模衛星星座（30,000顆衛星）的運作環境下，仍有8%的科學影像會出現衛星軌跡，導致約0.04%的科學像素點受影響。

## 圖庫

### 觀測

- 影片從2個星系開始，縮小至顯示約1,000萬個星系，結合魯賓天文台拍攝的1100多張影像 (0m58s)
- 三裂星雲（上）和礁湖星雲的影片，結合了魯賓天文台的678幅圖像(1分鐘)
- 薇拉·魯賓天文台觀察室女座星團的一小部分
- NGC 4261是圖像上方的大橢圓星系。
- 4個在魯賓天文台的三裂星雲和礁湖星雲圖片中發現的天體範例
- 螺旋星系NGC411b (左) 和NCG 4111a (右) 取自「宇宙百寶箱」（The Cosmic Treasure Chest）
- NGC 4326 由薇拉·魯賓天文台拍攝
- NGC 4410 由薇拉·魯賓天文台拍攝

### 天文台

- 帕瓊峰（Cerro Pachón）的晴朗天空
- 建造中的薇拉·魯賓天文台
- 望遠鏡支架組件，在橋式起重機安裝期間從圓頂拍攝
- 魯賓天文台攝影機的焦平面 – 寬60cm，擁有189個CCD感應器，可產生32億像素的影像
- 光學工程師賈斯汀·沃爾夫（Justin Wolfe）（左）和西蒙·科恩（Simon Cohen）與薇拉·魯賓天文台相機上的r濾光片
- 薇拉·魯賓天文台相機利用兩種冷卻系統將溫度降至零度以下
- 倫納德彗星、魯賓天文台、金星和各種恆星
- 薇拉·魯賓天文台上空的夜光，地平線上可以看到一簇簇明亮的人造燈光，使天空變得更亮。

## 外部連結

- lsst.org
- rubinobservatory.org
- VRubinObs
- LSST項目的介紹論文（2018年5月23日版）
- 可篩選薇拉·魯賓天文台警報數據流的Fink系統

## 基本資料

- 日語原文：薇拉·魯賓天文台、Vera C. Rubin Observatory
- 組織：LSST Corporation
- 位置：智利伊爾佩恩峰（El Peñón）
- 坐標：30°S 14°W
- 高度：2,662.75 m (top of pier)
- 波長：320–1060 nm
- 啟用：2015年秋季
- 網站：http://www.lsst.org/
- 口徑：8.4 m、3.4m、5.0m
- 角解析度：平均視寧度0.7″、0.2″ pixel size
- 面積：35 m²
- 焦長：9.9 m
- 架台：地平經緯儀