FAULHABER GROUP, 适用于银河系的GPS

周围环境发生了哪些变化？不管我们承认与否，我们确实想要了解一切事物。但对于所有人 类和整个地球而言，问题是：银河系正发生哪些变化？令人惊讶的是，我们对此知之甚少，因为我们真的很难从细节中看见整体。然而，英国天文学家发起的MOONS项目旨在改变之一现状。FAULHABER的技术将为此发挥重要作用。

MO33 Galaxy © eso.org

缺乏银河系相关知识

提及探索我们赖以生存的圆盘状螺旋星系时，天文学 家通常会提出一个基本问题：虽然地球不在银河系正中 间，但它仍然位于银河系的盘状平面上。因此，如果想从 地球这个有利角度看到银河系中心，甚至看到银河系另一 边，视野无疑会被无数的恒星挡住。站在地球上观测时，很难甚至无法确定所观测事物在银盘中的位置。对于银河 系，我们知之甚少的一个区域是银河系中心的致密区，在 这里，无数恒星和气体云聚集在一个假定的黑洞周围。但是即将开展的一个重大天文学项目将帮助填补许多 相关知识空白。来自多个国家的八个研究所参与了这个 项目。该项目由欧洲南方天文台（ESO）发起。这个科 学组织正在智利阿塔卡马沙漠运营一些世界上最强大的 望远镜。这些望远镜包括帕拉那尔天文台的甚大望远镜 （VLT），该望远镜口径为8.2米。该项目旨在为VLT装备一种新的仪器，用于捕捉来自太 空的光信号。上述仪器是一种光谱仪，能够同时捕捉落入 光谱可见光和红外光范围的大量宇宙天体。其缩写名称即 为项目名称：多目标光学和近红外光谱仪，MOONS。其 由苏格兰首府爱丁堡的英国天文学科技中心（UK ATC）协调。

VLT DWG MON © eso.org

光谱而非照片

“使用高质量照相机时，你可以更换相机镜头。但使 用天文望远镜时，情况正好相反–VLT配有优质镜片，我们只需用我们的MOONS取代目前连接的“照相机” 即可，UK ATC的科学家William Taylor博士解释道。凭 借新技术，MOONS在观测太空方面开辟了全新的可能 性，尽管它不会生成传统意义上的大尺寸图像，只会捕 捉微小细节。它的工作方式如下：与以往的天文望远镜类似，VLT的 巨大镜片和反射镜指向待观测的太空部分。让MOONS的 1001根光纤末端与待观测宇宙区域内的单个天体对齐。这款新仪器并不像照相机一样捕捉整个选定区域，而是让 光纤对准宇宙中的某些点上。甚至也不只是拍摄这些点，而是通过棱镜将其光线分成单独的部分，即不同的波长。Taylor博士解释道：“从科学角度讲，这种方法产生 的信息比图像多得多。”“例如，我们可以了解天体的 化学成分。此外，这允许我们计算其动力学，即运动的 速度和方向。由于MOONS可以捕捉近红外光谱，因此我 们可以精确地分析从遥远天体传到我们这里的光所经历 的红移。”当一颗恒星远离地球时，其光波长会变长。 这就是部分可见光转移到不可见红外光范围的方式，该 范围仍然接近可见光谱。

Moons at VLT © eso.org

视野中有数千个天体

先前技术允许单独观测最多约100个天体，并且只能 在可见光范围内观测。MOONS不仅把这个数字提升了 10倍，而且也进一步增加了信息的深度。在银河系中，这不仅能让我们更精确地观测到细节，还能更清晰地看 到整个观测环境。“这个项目的一个目标是创建一张银河系的3D地图，让某种GPS能在整个银河系中进行导航。MOONS的分辨

率极高，能让我们观测到非常遥远的事物，也能让我们 追溯很久以前发生的事情。我们或许能够触及在几亿年 内发生的大爆炸的成因。”这有助于让科学家探索宇宙 的初创期。Taylor博士说，虽然在当今时代，探索宇宙 初创期在某种程度上已成为可能，但是MOONS能为我们 提供更加清晰、详细的图像。“我们能以前所未有的深度 绘制宇宙的地图。” 天文学家的目标是在大约五年的时间里探索几百万个 天体。为了达到这一目标，这台光谱仪的1001根光纤必 须快速且大部分自动指向宇宙天体。这可以通过相同数 量的光纤定位单元（FPU）实现。每个FPU都有两个步 进电机驱动单元，安装在回差缩减直齿轮减速箱上。后 面的驱动单元可以推动FPU的中心轴（α）。偏心安装 在FPU上的前电机减速箱驱动单元（β）同时推动光纤 尖端。两个轴向运动的结合可以让每个FPU覆盖一个圆 形区域，在该区域内可以随机对齐光纤。该区域与相邻 FPU的区域部分重叠。这意味着可以控制捕捉区内的每 个点。为了满足定位重复性方面的挑战性要求（这是避 免FPU尖端之间碰撞的必要条件），驱动系统解决方案 必须极其精确。为了确保所需的精度并避免FPU尖端之间 的碰撞，系统必须以高重复性运行。高质量步进电机源自 FAULHABER PRECISTEP；FAULHABER Minimotor 的零回 差减速箱有助于提高定位精度。FAULHABER子公司mps负 责模块的机械设计。

FPU PROTO © eso.org

特制瞄准装置

“我们收到了FAULHABER集团所有三家参与公司提 供的非常宝贵的意见，”负责UK ATC的FPU开发工作的 Steve Watson博士报告称。“如果没有他们提供的专业 知识，我们就不可能以这种形式开发出这个核心模块， 尤其是不可能达到我们所要求的数量。除了光纤的对齐 速度之外，还必须确保对齐非常精确。我们实现了0.2度 的精度和低至20微米的定位可再现性。考虑到FPU的长 度和模块化设计，这些数据都表明取得了良好的成果。此外，这些单元始终与焦面板适当对齐，而模块也适当 布置在焦面板上的所有适当位置。” 部件的高精度和极高可靠性使控制程序操作简单，这 是完美运行光谱仪的另一个要求。复杂的电子元件和控 制逻辑将严重阻碍1001个单元的快速同步控制。由于部

件的高质量，通过简单的开环控制可以实现精确对齐。 该技术必须非常健全，几乎不需要维护，以便在计划的 10年系统使用寿命内不间断地执行其任务。项目经理Alasdair Fairley博士表示已经克服了这些技 术问题：“我们在MOONS上取得了良好的进展，预计能 在2021年夏天安装光谱仪。调试大约需要半年的时间，因此我们可能会在2022年初开始绘制宇宙地图。我们相 信，未来十年，FPU将保持全面运行，无需维护。”