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本文以《The First-Light Instrument Suite at TMT: Capabilities and Status Update》为题，由Alastair Heptonstall等多位作者共同撰写，作者团队分别来自TMT International Observatory、University of California Los Angeles、University of California San Diego、California Institute of Technology、NOIRLab（USA）以及National Astronomy Observatory（Japan）。该文章发表在《Proc. of SPIE》期刊，编号为13096，出版年份为2024。
本文聚焦三台即将安装于Thirty Meter Telescope（TMT, 三十米望远镜）上的首光仪器（First-Light Instruments）：IRIS（Infrared Imaging Spectrograph），WFOS（Wide Field Optical Spectrograph），以及MODHIS（Multi-Objective Diffraction-limited High-resolution Infrared Spectrograph）。文章系统性地介绍了这些仪器的技术性能、科学目标、设计进展以及它们对天文学研究的潜在贡献。
主要特点与设计目标
IRIS是由UCLA、UC Santa Cruz、UC San Diego、NAOJ、Caltech等机构联合研发的一款近红外成像光谱仪，旨在覆盖0.84至2.4微米波长范围。IRIS将与TMT的窄场红外自适应光学系统（Narrow-Field Infrared Adaptive Optics System, NFIRAOS）集成，以实现接近衍射极限的成像性能。仪器包括波前传感器模块、科学低温室（cryostat）、成像器（imager）和积分场光谱仪（Integral Field Spectrograph, IFS）。
科学目标与应用
IRIS为TMT带来了多重科学机遇，其主要科学目标包括：
1）太阳系研究：通过高空间分辨率成像，研究火山活动如木卫一（Io）火山喷发的动态过程，并监测近地小行星、远海王星天体表面特性。
2）系外行星研究：通过直接成像与光谱分析来探究行星大气结构和组成。IRIS结合TMT的自适应光学特性，在分辨率与灵敏度上优于现有的Gemini Planet Imager和VLT SPHERE系统。
3）恒星形成：捕捉恒星形成区域的动力学和化学元素分布，揭示恒星形成的物理机制与环境影响。
4）银河系中心与星系动力学：利用精密的天体测量能力研究银河系中心附近恒星轨迹以及M31星系的动力学，验证广义相对论并分析暗物质分布及星系结构。
5）星系形成与演化：研究近邻星系的化学丰度历史及星暴活动，解析从宇宙黎明到当前星系的形成过程。
技术要求与设计参数
IRIS用于高精度天体观测，其主要技术要求包括：
- 波前误差控制 ≤ 40 nm RMS
- 成像模式视场 ≥ 30 x 30平方角秒
- 积分场光谱仪多种空间采样率（如0.004–0.050角秒/像素）
- 多波段高通量光谱覆盖范围（如Y, J, H, K波段），光谱解析度4000至10000。
进展与现状
IRIS当前处于最终设计阶段，预计2025年进行系统性设计评审。其光学系统实现了包括H4RG-15探测器在内的改进，进一步提高了成像性能。
主要特点与设计目标
WFOS是TMT的可见光多目标成像光谱仪，由Caltech、ITCC、NAOJ等机构设计，其波长覆盖范围为0.31至1.0微米。WFOS的核心技术是可配置狭缝单元（Configurable Slit Unit, CSU），采用电动刀片代替传统的固定狭缝模板，以提供更高灵活性。
科学目标与应用
1）银河系与恒星研究：通过大视场和多目标光谱能力同时观测大量恒星，研究它们的化学组成和演化。
2）宇宙大尺度结构：利用红移图谱分析星系分布和运动，研究暗物质分布和宇宙膨胀。
3）瞬时天体现象：快速反应能力用于观测超新星、伽马射线暴等瞬时事件，获取关键早期数据。
4）行星大气研究：高光谱分辨率支持对太阳系行星及系外行星的组成与气候模式分析。
5）宇宙再电离研究：解码星系和类星体形成历史，以及再电离时期的宇宙环境特征。
技术要求与设计参数
WFOS的设计平衡了广谱覆盖、高通量、大目标观测数量等性能，其主要参数包括：
- 每次观测约50至80个目标
- 视场为8.3 x 3弧分
- 多种光谱分辨率（如R=1500至15000），灵活适应不同波段需求
进展与现状
自2022年完成概念设计评审以来，WFOS开始进入初步设计阶段，并计划于2025年完成多个子系统的设计评审。该仪器的灵感还催生了Keck天文台的下一代仪器LRIS-2，这种联合开发方式降低了技术风险。
主要特点与设计目标
MODHIS是一款高分辨率红外光谱仪，设计团队包括Caltech、UCLA和UCSD。其主要服务于TMT的NFIRAOS系统，专注于光谱分辨率达100,000的高精度观测，特别适用于系外行星大气环境的深入研究。
科学目标与应用
1）系外行星大气：研究近距直接成像行星的大气组成、化学过程及潜在生命迹象。
2）棕矮星与低质量恒星：分析大气物理属性及动力学性质，揭示其形成与演化过程。
3）恒星形成：探测分子云与年轻恒星，研究恒星形成的动力学和化学背景。
4）星系与活跃星系核（AGN）：解读星系核心动力学与超大质量黑洞周围物质的复杂过程。
技术要求与设计参数
MODHIS的主要性能要求包括：
- 波长覆盖范围为0.98至2.46微米
- 光谱分辨率R=100,000
- 稳定性高，测量径向速度的精度优于50 cm/s
进展与现状
MODHIS正进行概念设计阶段的完善，其光谱仪安装于TMT的Nasmyth平台，以优先确保通量最大化。此外，与Keck的HISPEC光谱仪共享设计，大大减少了技术风险。
本文全面介绍了TMT的三台首光仪器的技术发展以及科学潜力。这些仪器的部署将显著提升天文学家对星系演化、恒星形成以及系外行星的理解，同时推动技术的进步。从IRIS对近红外成像的革命性改进，到WFOS的多目标可见光谱能力，直至MODHIS的高分辨率红外光谱技术，这些工具为未来数十年的天文学研究奠定了坚实的基础。
TMT的仪器不仅包括当前的首光设备，还计划在未来几十年扩展其科研能力，继续补充更高级的观测器材，为科学社区带来持续的研究价值。