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 © ESO/B. Tafreshi (twanight.org)
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2021年8月13日

科学家通过高精度望远镜首次观测到一颗围绕超大质量黑洞“跳舞”的恒星

基于 PC 的控制技术助力升级欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜等复杂仪器

2020 年,天文学家使用欧洲南方天文台的甚大望远镜(VLT),首次观测到一颗恒星正在围绕着一个超大质量的黑洞轨道移动。这个发现首次揭示这个天体现象与爱因斯坦的广义相对论预言完美契合。这一期待已久的结果是通过高精度的测量实现的,其中倍福基于 PC 的控制技术发挥了关键作用,正如它在其他实验中所发挥的作用。

VLT 上安装的岩石态系外行星和稳定光谱观测阶梯光栅光谱仪(Espresso)能够以前所未有的精度“捕捉”系外行星
VLT 上安装的岩石态系外行星和稳定光谱观测阶梯光栅光谱仪(Espresso)能够以前所未有的精度“捕捉”系外行星

欧洲南方天文台(ESO)总部位于德国慕尼黑北部的加兴,是天文学最重要的政府间组织,也是世界上最高产的天文台。ESO 实施了一项雄心勃勃的计划,着眼于设计、建造和运营强大的地面天文观测设施。该组织在智利有三个独特的世界级观测点:拉希拉、帕拉纳尔和查南托。在帕拉纳尔,ESO 目前运营着甚大望远镜(VLT)及其 VLT 干涉仪,以及两台巡天望远镜,即 Vista 和 VLT 巡天望远镜。另外,ESO 在距离帕拉纳尔不远的 Cerro Armazones 建造一台口径达 39 米的极大望远镜(ELT),一旦建成之后,它将成为世界上口径最大的望远镜,计划于 2025 年投入使用。

银河系中心黑洞

爱因斯坦在广义相对论中曾经预测过,一个星体围绕另一个星体的运行轨道并不是牛顿万有引力定律中所描述的封闭曲线,而是在平面中不断自旋运动。2020 年,科学家们在围绕着银河系中心致密射电源人马座 A* 转动的恒星的运行轨道中发现了这个“恒星跳舞”效应。这一天文观测进一步验证了人马座 A* 是一个超大质量黑洞,其质量是太阳的 400 万倍。这种被称作“史瓦西进动”的效应,以前从未在围绕超大质量黑洞运转的恒星上被观测到。

这一结果是这颗恒星 27 年观测的顶峰,在绝大部分时间里,使用的是位于智利阿塔卡马沙漠的欧洲南方天文台 VLT 的一组仪器。标记恒星位置和速度的数据点的数量是这项新研究的彻底性和精确性的证据:使用“Gravity 干涉仪”等仪器进行了总计 330 多次测量。由于这颗恒星绕超大质量黑洞运转一周需要数年时间,因此,为了捕获到其运转轨道的复杂精微之处,必须对这颗恒星进行持续 30 年之久的连续观测。

Gravity 是第二代 VLT 干涉仪,能够以比目前更小的尺度测量天体位置和运动
Gravity 是第二代 VLT 干涉仪,能够以比目前更小的尺度测量天体位置和运动

在仪器升级以及新仪器中都采用了基于 PC 的控制技术

VLT 持续运行的时间非常长,大部分使用的还是比较老旧的控制设备,但在最近进行的一些仪器升级改造中采用了倍福基于 PC 的控制技术。例如对 UT Coudé Train 进行的现代化改造,通过它可以将各个望远镜收集到的恒星光线传输给前端装置、光谱仪和探测器。ESO 控制软件团队负责人 Mario Kiekebusch 解释道:“倍福技术现在被用于天文台的很多系统中,主要用于第二代和第三代天文仪器。第一台完全采用倍福控制系统的仪器是岩石态系外行星和稳定光谱观测阶梯光栅光谱仪(Espresso)。Espresso 能够通过系外行星母恒星发光的微小变化,以前所未有的精度“捕捉”系外行星。它首次将4 台 甚大望远镜的光线组合起来,获得 16 米口径望远镜的集光能力。”

(TC1250) and TwinCAT 3 C++ (TC1300), as well as the TwinCAT 3 OPC UA function (TF6100). 据 Mario Kiekebusch 介绍,另一台采用了倍福控制系统的非常重要的仪器是 Gravity 干涉仪。这台仪器已经帮助科学家们证实了银河系中确实存在黑洞,它可以用于将来自所有四台 8 米甚大望远镜的光聚合,形成一台具有口径 130 米的望远镜的角分辨本领的超级光学望远镜。每台仪器平均使用四台控制器,主要为 CX20xx 系列嵌入式控制器。控制软件使用的是 TwinCAT 3,通常带基本 Runtime 组件 TwinCAT 3 PLC/NC PTP 10(Tc1250)和 TwinCAT 3 C++(TC1300),以及 TwinCAT 3 OPC UA 功能组件(TF6100)。

每台用作 PLC 的嵌入式控制器后面平均插接约 10 个 EtherCAT 端子模块。据 Mario Kiekebusch 介绍,其中最常用的是 ES2xxx 和 ES3xxx 数字量和模拟量输入和输出端子模块以及 EL6002 串口端子模块等通信接口。此外,所使用的步进电机和直流电机运动控制器包括 EL7041 步进电机端子模块(与 EL5152 外部编码器端子模块配套使用)和 EL7342 直流电机端子模块(与 EL5101 增量编码器接口端子模块配套使用)。未来,ESO 计划将在 ELT 中布署约 560 个具有扩展诊断功能的 EL2044 四通道数字输出端子模块。