新疆天文台南山1 m宽视场光学望远镜测光系统

单星美，钟 靖，张 余，牛虎彪，刘进忠，陈 力，李 静

(1.西华师范大学，南充637000；2.中国科学院 上海天文台，上海200030；3.中国科学院 新疆天文台，乌鲁木齐830011)

1 引 言

新疆天文台南山1 m宽视场光学望远镜(Nanshan One-meter Wide-field Telescope,简称NOWT)于2012年3月在南山观测站落成。南山观测站位于新疆乌鲁木齐市甘沟乡前进村，距离乌鲁木齐80 km，是中国科学院一个重要的天文观测与研究基地(地理经度为87◦10.949′E，纬度为43◦28.363′N，海拔约为2 080 m)。NOWT由德国APM公司制造，中国科学院光学天文重点实验室完成望远镜操控系统的集成工作。NOWT采用地平式构造，具有消旋改正的主焦点；其视场为1.5◦×1.5◦，主焦点设计的焦比为2.2，实际焦距为(2 159±20)mm，像素数目为4 096×4 136，像元尺寸为12µm×12µm，每像元的图像比例尺为1.146′′，有效视场为78′×78′。NOWT的主要科学目标包括暗天体的快速搜寻和时域天文学的多色测光研究，其中时域天文学方面不仅包含食双星和疏散星团的测光研究，还包含近地天体的多色测光研究[1]。

从CCD观测的图像经由数据处理软件进行测光数据提取，即可得到观测目标的仪器星等。该星等值反映了CCD的流量计数结果，只对同一图像、不同观测目标流量的相互对比有意义，称之为相对流量。为了更为广泛地比较和使用测光数据，我们需要将目标强度信号的仪器输出值与目标实际亮度对应起来，即将仪器星等转换到标准星等系统(如Vega星等系统、AB星等系统)，得到目标的大气外真实流量，反映天体的实际流量值，这就是所谓的绝对流量定标。为了更好地建立该对应关系，一般通过对已知辐射流量的标准星观测来推导不同观测系统的测光零点、颜色项响应以及大气消光系数，进而实现该观测系统仪器星等到标准星等系统的转换。Landolt等人对于不同天区的U,B,V,R,I多波段标准星选源和定标做了一系列工作[2,3]，建立了包含U,B,V,R,I测光系统的Landolt标准星表，其标准星的测光精度和定标关系均得到了广泛的认可。本文中，我们主要通过对Landolt标准星的多色测光观测来推导流量定标系数，从而实现从NOWT仪器星等到Landolt标准星等的转换，为今后开展疏散星团的多色测光研究，以及对空间站多通道成像仪(MCI)流量定标星的地面观测提供定标方法的参考。

2 观测数据

为了利用NOWT进行测光研究，我们主要观测了Landolt标准星场J054610+45，赤经α=05h46min10.0s，赤纬δ=+45◦34′45′′。该星场约有400颗标准星，标准星等的范围为12∼22 mag。我们在2018年12月28日和29日两个夜晚对该星场进行了U,B,V,R,I多色观测。同时，考虑到定标关系中有对于大气质量的修正项，我们对标准星场J054610+45进行了持续5.7 h(28日)和3.9 h(29日)的跟踪拍摄，观测的地平高度角范围26◦∼83◦(28日)和30◦∼69◦(29日)。2018年12月28日U,B,V,R,I波段的观测次数分别为20,24,20,19和17次；2018年12月29日U,B,V,R,I波段的观测次数分别为12,11,15,12和9次；上述两天观测数据的U,B,V,R,I各个波段的曝光时间分别为240 s,90 s,60 s,50 s和80 s。除此之外我们还分别在2017年11月29日和12月24日、2018年10月26日、11月29日和12月6日、2019年1月4日对Landolt标准天区J031900+43或J005945+44进行测光观测，每个波段均观测2次，大气质量都保持在1.2左右。标准天区J031900+43的赤经α=03h19min00.0s，赤纬δ=+43◦44′45′′，该星场约有340颗标准星；标准天区J005945+44的赤经α=00h59min45.0s，赤纬δ=+44◦08′30′′，该星场约有200颗标准星。标准星等的范围都为12∼22 mag，上述6天观测数据的U,B,V,R,I各个波段的曝光时间分别为200 s,70 s,40 s,40 s和60 s。

Landolt标准星的星等范围较宽，大部分暗星均不在我们的观测范围之内；且由于不同波段的探测深度不同，不同波段探测的标准星数目也出现了很大的差异。表1显示了NOWT不同波段观测到的标准星数目。

表1 NOWT各波段观测到的Landolt标准星数目

3 方法

在本文中我们采用的转换方程为：

其中，Ustd,Bstd,Vstd,Rstd,Istd是Landolt标准星等；Uobs,Bobs,Vobs,Robs,Iobs是NOWT的仪器星等；Zi项是各波段的测光零点(下标i指代U/B/V/R/I，下同)；Ki项是各波段对大气质量的改正，即大气消光系数，大气消光主要是由于地球大气中气体分子、尘埃颗粒等对光的吸收和散射引起的，一般认为，同一台址的大气消光系数在一定的时间间隔内基本保持稳定，但随着时间的演化会发生变化；X表示标准星观测时的大气质量；Ci项是对恒星颜色的改正，主要是由不同颜色消光值不同所引起。

根据布格定律：

式中，mλ,z是天顶距为z的恒星在波长λ处的星等，αλ是一个与波长λ相关的常数，secz是沿视线方向的大气质量的度量。一旦大气消光系数αλ的值已知，大气质量的改正即可简单求出。该定律对于天顶距小于60◦的恒星是准确的，所以我们可以通过对大气消光的改正推算出大气外的观测值，即外推到大气质量为零的星等值，这一星等值对所有的夜晚应该永远相同。

为了对大气消光系数αλ进行求解，我们需要对具有不同大气质量的同一天区进行多次观测。为此，我们设计了2018年12月28日和29日的观测计划，对J054610+4534标准星场进行了不同天顶距的采样观测。为了求得大气消光系数αλ，我们选取了天顶距小于60◦的观测数据，且只使用了B,V,R,I各个波段观测星等的测光误差①由IRAF进行PSF测光时得到的测量误差，主要由目标源的信噪比决定，同时受到减本底、除平场、减暗流等数据处理过程传递过来的附加误差影响。均为0.01 mag和U波段观测星等的测光误差小于0.1 mag的亮星进行线性拟合，拟合大气消光系数用的标准星信息参见表2。我们选择了其中一颗标准星的U,B,V,R,I波段数据进行举例，如图1所示，误差棒为标准星观测星等的误差值，图中红色实线为线性拟合曲线，其斜率即大气消光系数αλ或式(1)中的Ki值。我们利用2018年12月28和29日的观测数据得到大气消光系数的平均值，均比Bai等人[4]2016年所得的结果小，详见表3。

表2 本文所采用的标准星场J054610+4534中部分标准星信息[3]

图1 2018年12月28日观测Landolt标准星场J054610+4534中序号为380的标准星(α2000=86.653,δ2000=45.588)的U,B,V,R,I各个波段的大气质量修正系数。

表3 南山观测站大气消光系数

在求出大气消光系数Ki后，我们只需要依据当天观测时的大气质量，通过式(1)拟合不同波段的Zi和Ci值，即可得出每颗恒星流量改正后的标准星等值。假定Ki值在我们的观测周期内相对稳定，然后把基于2018年观测数据求得的Ki值应用到2017年11月至2019年1月的全部观测数据中，以求得各观测日期的测光零点Zi和颜色改正项Ci。在处理数据的过程中我们发现，2018年12月28日的观测数据中每个波段均有少量观测数据的平均星等值比其余观测时间的平均星等值偏大，这可能是在观测过程中有薄云遮挡所致，因此删掉了这些结果异常的数据。此外，为了减小暗星测光的不确定性对拟合结果造成的影响，我们进一步删除了B,V,R,I波段观测星等误差大于0.03 mag以及U波段观测星等误差大于0.1 mag的恒星。最终，利用具有高质量测光的亮星数据我们求得了各波段的定标零点Zi和颜色改正项Ci值，结果详见表4。

表4 NOWT各波段流量定标改正系数

4 NOWT流量定标结果

在求得了U,B,V,R,I各波段定标零点Zi、颜色改正项Ci以及大气消光系数Ki后(详见表4)，我们将观测星等数据和流量定标改正系数代入式(1)，对NOWT测光系统的流量定标结果进行了检验。实际操作中，考虑到U波段数据太少，除了具有U波段数据的Landolt标准星，我们也对具有B,V,R,I四个波段数据的Landolt标准星进行了星等改正。表5给出了不同观测日的各个波段改正后的星等值与Landolt标准星等差值的平均值和标准差。其中，图2列举了部分观测日期的各波段改正后的平均星等与Landolt标准星等的比较结果。分析结果发现，U波段的定标误差偏大，可能与U波段的消光严重或实际测量时天气发生了变化有关；I波段误差大主要是受到Fringes效应[5,6]的影响，I波段CCD原始图像产生水波纹状结构，导致部分标准星的测光出现偏差，从而使得I波段定标误差增大。以2019年1月4日的观测数据为例，如果从原始测光数据的167颗标准星中扣除9颗由于Fringes效应导致测光出现明显偏差的目标源，I波段改正后星等与Landolt标准星等的标准差由原来的0.135降为0.078。可见，I波段较大的标准偏差主要由少数测光不准确的目标源主导。该结果说明NOWT测光系统能够很好地定标到Landolt标准星系统，为进一步利用NOWT测光结果开展时域天文的多色测光研究奠定了基础。

表5 不同观测日各波段改正后星等与Landolt标准星等差值的平均值和标准差

此外，通过对Landolt标准星的观测，我们还进一步估算了NOWT各波段的光学系统效率。参考Bai等人[4]的工作，利用

得出NOWT各波段的光学系统效率，式(3)中FADU是单位时间内CCD的ADU读数(单位为ADU·s−1)；Fλ是单位时间内接收到的流量(单位为J−7·s−1·cm−2·˚A−1)；G是望远镜的增益(单位为e−1·ADU−1)，在本文中取G为0.89 e−1·ADU−1；δλ是各个波段的带宽(˚A)；Stel是主镜的有效面积(单位为cm2)，在本文中取为2 500π·cm2。我们从2018年12月28日的观测数据中，随机选取了5颗具有U,B,V,R,I多波段测光数据的标准星进行光学系统效率的估算，估算结果的平均值及文献参考值如表6所示。

图2 各波段改正后的平均星等与Landolt标准星等差值的比较

表6 NOWT多波段光学系统效率

5 总结与展望

2018年12月28日和29日，新疆天文台NOWT对Landolt标准天区J054610+45进行了具有不同大气质量的多色测光观测，我们利用上述的观测数据通过布格定律得到NOWT的大气消光系数，并在此基础上求得了测光零点和颜色项的转换系数，实现了对标准天区观测数据的流量定标，取得了较好结果。我们的主要结果如下：(1)NOWT不同观测时间的流量定标转换系数会有一定程度的变化(见表4)，为了取得较好的流量定标结果，需要每天进行流量标准星的观测，并实时求得当时的流量定标转换系数；(2)由于求得大气消光系数需要对同一标准星场进行不同大气质量的观测，占用了大量的望远镜时间，很多实际观测往往难以满足该观测需求，建议使用一段时期内的已知大气消光系数来进行流量定标，仍然能够得到较好的定标结果；(3)我们给出了2018−2019年度NOWT的大气消光系数，U波段为0.414±0.083，B波段为0.220±0.017，V波段为0.156±0.012，R波段为0.107±0.016，I波段为0.081±0.032，可以用于该时间周期内NOWT的大气消光改正；(4)NOWT各波段光学系统效率的计算结果与文献结果相差不大，B,U,V波段的效率较高。

空间站MCI的首要任务之一是建立主巡天专属的流量定标星表，辅助主巡天开展高精度流量定标任务，以及进一步降低主巡天测光任务的系统误差，为主巡天实现高精度测光观测提供必要保障。考虑到目前我国还没有光学波段的空间观测设备，因而需要先期利用国内外的中小口径望远镜，开展流量定标星的地面定标观测和仪器/观测效应的分析研究，为空间站MCI的在轨观测提供流量定标星候选体以及流量定标方案。我们利用新疆天文台NOWT开展的定标观测研究，为后续开展中小口径地面望远镜的定标星观测、制定相应的流量定标方案、并尽可能降低观测效应的影响(主要是大气消光)提供了重要的实测依据。