2022年10月31日，由中国科学院上海天文台（以下简称“上海天文台”）研制的我国首台基于漂移扫描CCD技术的短时标时域天文望远镜阵“南极天目”的原型机搭载中国第39次南极科考船前往南极。样机抵达中山站后，在中国极地研究中心的大力支持和协助下，快捷顺利地完成了设备安装及调试。2023年2月20日开始正式观测至10月26日观测结束，在极夜期间获得了大量观测数据。对观测图像的初步分析结果表明，原型机曝光30秒的图像中亮于9等恒星的测光精度可以达到千分之一星等。原型机在中山站连续进行了248天无故障观测，标志着原型机设计思路合理可行，为后续建设南极天目望远镜阵列奠定了坚实基础。
极光下的“南极天目”望远镜原型机
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随着技术的进步，当代天文学已经从刻画静态宇宙发展到认识动态宇宙。通过长期多波段观测揭示宇宙中各类天体的变化并发现和探索各类新天体、新现象，这就是天文学中新兴的分支学科——时域天文学。在超新星（2011年诺贝尔物理学奖）、引力波事件（2017年诺贝尔物理学奖）、系外行星（2019年诺贝尔物理学奖）等方面，时域天文学已经产出了一大批重大科学发现。未来10年至20年，时域天文学将成为天文学中引领性的、“金矿”型重大前沿领域。
当代时域天文学观测研究期待能够在小于1天的时间尺度上观测到快速射电暴、引力波源、超新星爆发、高能中微子、伽玛射线暴、Ia型超新星、恒星被大质量黑洞潮汐瓦解、极亮X射线暴、耀星和典型新星等各类快速变化天象。基于这类研究热点，时域天文学巡天项目需要实现快周期、连续性的观测，因此设备研制、观测模式及观测地点都需要与短时标时域天文学观测特殊需求进行对标研究。
南极因其特殊的地理位置和环境，在短时标时域天文学观测方面具有独特优势。每年长达上百天的极夜，能够开展连续观测，有利于在第一时间捕捉到天体短时标快速变化和暂现源等极早期的天象。此外，南极夜天光背景暗、大气透明度高、部分台址晴夜数很高，是开展高精度测光观测的理想地点。自2008年以来，我国天文学家已经在南极开展了多次天文观测和技术实验，例如南极CSTAR望远镜，南极巡天望远镜（AST3）计划、南极亮星巡天望远镜(BSST)等。
为充分利用南极在短时标时域天文学观测方面的特殊优势，结合已有的技术储备并充分考虑南极特殊的自然条件。上海天文台提出了基于漂移扫描CCD技术的短时标时域天文观测阵（简称“南极天目”）的计划，实现巡天速度快、连续不间断观测、探测能力深的三个科学需求。“南极天目”项目计划在南极地区布设由100台小口径大视场望远镜组成望远镜阵列，单个望远镜的视场约100平方度，可覆盖地平高度30度以上1万平方度的天区，在每年的极夜期间开展连续观测，力争在短时标时域天文学观测研究领域率先取得重大突破。
“南极天目”原型机设计示意图与照片
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2019年至2021年间，在中国科学院天文大科学中心和上海天文台重点培育项目的支持下，上海天文台光学天文技术研究室望远镜研制团队开展了南极天目原型机的研制。
设计思路是将望远镜系统所有设备放置在密封及隔热性能优良的可控温圆顶内，利用漂移扫描技术实现观测，借助卫星通讯实现上海控制端与南极设备端之间的信息传输。这样的一体式结构设计思路具有显著的技术创新性，整个系统无需驱动，无需拆装，可整体运输，安装调试简单便捷，快速就能开展观测，不但能提高系统的可靠性和安全性，同时也极大方便了在南极的调试与安装。“该原型机是上海天文台放置在南极的首个观测设备，也是我国首台基于漂移扫描CCD技术的南极天文观测设备。”项目负责人、上海天文台正高级工程师周丹表示，“该设备观测技术独特，环境适应性强，自动化程度、可靠性、能源利用率都比较高，且研制和运行成本低。通过在中山站实际观测调试和数据分析，可为未来分期布设望远镜阵，最终实现南极天目计划提供重要参考依据。”
本项目中，上海天文台科研团队将台内近20年持续攻关积累的漂移扫描CCD技术应用于“南极天目”原型机的研发中。漂移扫描CCD技术利用电荷逐行转移原理，通过控制转移速度，实现望远镜静止时电荷跟踪运动目标的功能。漂移扫描CCD技术学术带头人正高级工程师于涌表示：“将这种技术应用于一体式设计的望远镜，可以使望远镜在无需驱动机构的情况下也能跟踪天体，这显著提高了整个系统的可靠性。同时，采用漂移扫描CCD可以对一条赤纬带天区进行连续观测，可显著提升巡天效率。”
2019年至2021年间，团队开展了南极天目望远镜原型机的方案设计、软硬件研制、安装调试与测试等工作。2021年8月与11月在上海的低温实验室分别进行了两次为期14天的原型机低温测试（-60 ）并取得了重要数据。2021年9月至12月完成了望远镜光学系统测试以及安装调试。为了验证设备在低温环境下运行情况，2022年1月至3月将原型机运至内蒙古海拉尔进行了为期两个月的外场试观测，期间夜间气温最低达到了-38 ，原型机工作稳定，观测到大量数据，并及时传回上海控制端。同时，当恒温舱内温度降至5 （设备设定温度）以下时，加热系统就开始自动工作，维持舱内温度在5 左右。在内蒙古的测试验证了原型机性能和可靠性，具备前往南极参加科考试验的能力。
疫情期间科研团队进行夜间测光调试
科研团队进行调焦实验
在上海的低温试验室测试样机
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“南极天目”原型机于2022年10月31日搭载中国第39次南极科考船前往南极，2023年1月到中山站后顺利开展了安装及设备调试，2023年2月20开始正式观测。传回的观测图像质量与实验室测试数据一致，满足预期要求。自3月初开始，团队开展了漂移扫描观测及测试，通过观测数据分析表明，曝光30秒的情况下，亮于9等的恒星的测光精度可以达到千分之一星等。5月21日至7月15日南极中山站进入极夜，设备顺利实现了每天24小时连续观测测试。极夜过后，7月15日至10月26日期间，在天气晴好的状态下继续开展观测工作。10月26日后由于中山站地区逐渐进入极昼，已关闭设备等待开启下一年观测任务。
2022年10月底，“南极天目”原型机搭载第39次南极科考船前往中山站前，部分研究团队成员合影
本观测季累计获取观测图像174,630幅，数据总量（含测试数据）3.35TB。原型机的安装、调试过程顺利。试观测期间，设备经受了最低气温-37.3摄氏度，最高风速38.6米/秒的严峻挑战，保持稳定运行，观测像质优异，体现了基于漂移扫描CCD技术的一体式结构设计思路在极地天文领域应用的巨大优势，能够有效克服南极严酷自然环境带来的限制，同时也使得观测设备具备在交通不便的极地环境中能够方便安装调试、快速开展观测的能力。
上海天文台端接收到的“南极天目”原型机观测图像，研究团队进行了恒星认证
星象像质测试，半高全宽（FWHM）分布在曝光10秒、30秒情况下，FWHM分布在1.2至2.5个像素之间，与实验室测试数据保持一致。
不同曝光时间所拍摄的星的光变曲线精度。曝光30秒的情况下亮于9等的星的精度可以达到千分之一左右（x轴为V星等，y轴为光变曲线的RMS）
该项目技术负责人、上海天文台工程师祝杰表示：“基于漂移扫描CCD技术的南极天目原型机已在极地环境中正常观测超过半年，在观测模式上进行了充分的测试，并在南极极夜期间持续获得大量观测图像，没有发生任何系统性的故障，显示出良好的稳定性和可靠性。这表明原型机的设计思路确实能够有效解决长期以来严重影响南极天文望远镜经常出现的故障和技术问题。”
“南极天目”原型机是上海天文台内首个在自主部署项目的支持下顺利研发并成功放置在南极的观测设备，后续团队将系统分析处理原型机观测获得的原始图像数据，总结原型机试验观测的经验，进一步扩大观测视场，优化能耗分配，并在此基础上，研制南极时域天文观测阵的正样设备，力争分批布设在南极泰山站或者昆仑站，助力我国在短时标时域天文学观测和研究领域取得重大成果。
科学联系人：
祝杰，中国科学院上海天文台，jzhu@shao.ac.cn
于涌，中国科学院上海天文台，yuy@shao.ac.cn
周丹，中国科学院上海天文台，dzhou@shao.ac.cn
