積分場(chǎng)攝譜儀：用一次拍攝獲得星系的3D視圖

姜德杰

想一下，如何能抓住一只蒼蠅？是的，動(dòng)作要飛快，因?yàn)橄翊蠖鄶?shù)昆蟲(chóng)一樣，蒼蠅可以360°檢測(cè)到周圍的活動(dòng)。蒼蠅眼睛是復(fù)眼，由大量微小的光感受器（又稱“小眼”）組成。這些

小眼同時(shí)工作，可獲取一個(gè)寬視場(chǎng)馬賽克視圖。螞蟻可擁有幾個(gè)到1000個(gè)小眼，蒼蠅和蜜蜂有幾千個(gè)小眼，而蝴蝶和蜻蜓有幾萬(wàn)個(gè)。小眼數(shù)量越多，昆蟲(chóng)的視場(chǎng)越寬，視力就越銳利。

利用類似的原理，科學(xué)家研發(fā)了一種積分場(chǎng)器件（IFU）。在積分場(chǎng)器件中，視場(chǎng)被分成了許多單元格或細(xì)分段，以獲得一個(gè)物體的全面概觀。積分場(chǎng)器件被廣泛應(yīng)用于地球遙感，特別是

天氣預(yù)報(bào)以及監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害和氣候變化。

歐洲南方天文臺(tái)將積分場(chǎng)器件用于天文學(xué)中，通過(guò)一次攝像、使用一種被稱為積分場(chǎng)光譜的技術(shù)來(lái)研究延展天體，如星云、星系或擁擠的星團(tuán)或星系團(tuán)。在該技術(shù)中，將來(lái)自場(chǎng)域的每個(gè)單元或像素的信號(hào)輸入一個(gè)攝譜儀中，生成每個(gè)像素的光譜。所有光譜都被排列成數(shù)據(jù)立方（參見(jiàn)圖2），數(shù)據(jù)立方含有二維視場(chǎng)，外加來(lái)自攝譜儀的第三維，將光分解成不同的顏色或波長(zhǎng)（參見(jiàn)圖3）。天文學(xué)家可以用積分場(chǎng)攝譜儀的豐富信息來(lái)測(cè)量遙遠(yuǎn)星系中的氣體運(yùn)動(dòng)或在視場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)的不同星系間的距離等。

不同類型的積分場(chǎng)器件使用不同的技術(shù)來(lái)劃分視場(chǎng)。用于天文學(xué)的三種主要積分場(chǎng)器件有：

1.微透鏡陣列（非常像昆蟲(chóng)的復(fù)眼）。

2.光纖束，可以單獨(dú)使用，也可以同微透鏡陣列一起使用（見(jiàn)圖4）。

3.星象切分器（見(jiàn)圖5）。

積分場(chǎng)器件的想法最早是由G.庫(kù)爾特于1982年提出的。首次應(yīng)用于天文學(xué)中是與TIGER儀器同時(shí)使用的，并于1987年通過(guò)設(shè)置在夏威夷莫納克亞山的3.6米望遠(yuǎn)鏡觀察到了第一束光。用于TIGERS的積分場(chǎng)器件是一個(gè)微透鏡陣列。

歐洲南方天文臺(tái)的第一臺(tái)專用積分場(chǎng)攝譜儀是SINFONI，它在2004年通過(guò)甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT） 觀察到了第一束光。SINFONI與一個(gè)帶有巨大積分場(chǎng)器件的星象切分器協(xié)調(diào)工作，其工作原理和繆斯探測(cè)器（MUSE）一樣。多目標(biāo)攝譜儀（FLAMES）也有兩個(gè)積分場(chǎng)器件，而第二代紅外攝譜儀

（KMOS）擁有24個(gè)小型積分場(chǎng)器件，安裝在可伸展臂中。VIMOS也有一個(gè)相當(dāng)寬的積分場(chǎng)器件，容微引力透鏡和纖維束于一身。所有這些儀器都具有不同的特征——它們對(duì)不同波長(zhǎng)敏感，具有不同的視場(chǎng)和不同的光譜分辨率，這使得它們適合于觀察不同類型的物體并解決不同的天文問(wèn)題。

積分場(chǎng)攝譜儀正變得越來(lái)越復(fù)雜，檢測(cè)器越來(lái)越大，能使我們更清晰、更深入地對(duì)宇宙進(jìn)行3D了解。就像昆蟲(chóng)進(jìn)化那樣，積分場(chǎng)器件正在從螞蟻進(jìn)化成蜻蜓。