WEAVE-Tumble-Less观测模式：利用创新方法拓展亮星和低表面密度目标的光谱巡天

《RAS Techniques and Instruments》：The WEAVE-TwiLight-Survey: Expanding WEAVE’s Reach to Bright and Low-Surface-Density Targets with a Novel Observing Mode

本研究针对当前多目标光谱巡天在观测亮星(V≤11 mag)时因目标天区表面密度低而导致观测效率急剧下降的问题，开发了用于WEAVE(威廉·赫歇尔望远镜增强区域速度探测器)的新观测模式WEAVE-Tumble-Less。该模式通过将多个低目标密度天区叠加到同一光纤配置中，实现了无需重新配置光纤即可快速连续观测，显著减少了标定曝光时间，将望远镜的黄昏时段纳入有效观测时间。作为该模式的试点，WEAVE-TwiLight-Survey(WTLS)聚焦于明亮的系外行星宿主星及其周边天区，将产生包含约6300颗亮星(含62颗已知行星宿主)的均匀光谱目录，为研究行星形成过程中的化学丰度模式奠定基础。

　　

在系外行星发现的时代，我们对行星系统的理解日益深入，然而对明亮宿主星的详细光谱观测却面临巨大挑战。当前的大型多目标光谱巡天项目，如APOGEE，在观测暗弱天体时效率很高，但当目标转向天空中分布稀疏的亮星时，观测效率便会急剧下降。这一问题在V≤11星等的亮星观测中尤为突出，因为它们的天空数密度仅为约20颗/平方度，而V=12.5等的恒星密度可达约100颗/平方度。这种低表面密度导致每个观测场只能获取少量目标，同时为了避免亮星饱和，还需要将曝光分成多次短曝光，大大增加了探测器读出时间，降低了整体效率。

上图清晰展示了这一困境：对于V≤11星等的已知系外行星宿主星，被APOGEE观测到的比例显著下降。这一观测偏差限制了我们对完整系外行星种群的理解，包括各类行星的出现频率、系统架构以及恒星和银河系邻近环境对行星形成的影响。同时，大规模、均匀的光谱数据集对于进行有意义的统计研究至关重要，特别是对于TESS和PLATO等现代系外行星探测任务提供的精确恒星和行星参数。

面对这一挑战，研究人员为威廉·赫歇尔望远镜的WEAVE仪器开发了一种创新的观测模式——WEAVE-Tumble-Less(WEAVE-TL)。这项研究发表在《RAS Techniques and Instruments》上，旨在突破亮星观测的效率瓶颈。

WEAVE-TL模式的核心技术方法包括：1) 基于贪婪算法(一种启发式方法)的天区定义策略，以中央导星为参考点叠加多个观测天区，形成"场批次"；2) 开发定制算法解决导星光纤分配问题，确保每个叠加天区都能获得至少一颗中央导星和两颗偏中心导星的光纤配置；3) 对WEAVE的观测控制系统(OCS)和光纤配置软件(CONFIGURE)进行适应性修改，支持不翻转场板的情况下望远镜指向新目标。观测样本主要来源于ESA的PLATO长周期观测相场和Gaia DR3的亮星数据。

2 A LOW-DENSITY AND BRIGHT STAR OBSERVING MODE FOR WEAVE

WEAVE原本优化用于观测12≤V≤20星等的目标，其多目标光谱高分辨率模式(MOS HR)可提供约20000的光谱分辨率。常规观测中，每个观测块(OB)可获得约1000条光谱，但观测亮星时效率低下。WEAVE-TL模式通过让多个天区共享同一光纤配置，避免了场板翻转(约90秒)和重复标定曝光，测试表明比常规模式效率提高约20%。

4 CREATING MERGED FIELD CONFIGURATIONS

合并场配置的创建高度依赖于导星的可用性。研究人员将14≤V≤15星等的亮导星加入输入目录，采用数学上类似几何集覆盖问题的方法，以导星为中心定义半径为1度的圆形天区，并通过优化算法最大化天空覆盖率(达到约97%)。导星光纤分配则考虑了WEAVE两个场板上各8根导星光纤的几何约束，确保每个场批次(最多包含3个天区)都能获得有效的光纤配置。

5 ON-SKY FIELDS FOR THE WEAVE-TWILIGHT-SURVEY

WTLS最终定义了包含约6300颗恒星(6≤V≤11.5星等)的观测样本，其中包含62颗已确认的系外行星宿主星。这些目标被分为两个优先级：优先级1包含有APOGEE观测数据的恒星，便于进行数据对比和校准；优先级2则为无APOGEE覆盖的目标。观测将使用WEAVE的高分辨率蓝端模式(HR blue2)，覆盖镁三重线等关键光谱特征，这对于研究行星形成化学痕迹至关重要。

6 INITIAL TEST OBSERVATIONS

初步测试观测于2024年8-9月和2025年2月成功进行，验证了WEAVE-TL模式的可行性。测试获得了98颗恒星的光谱数据，包括一颗G_Gaia=6.05星等的A0V型恒星和一颗K0IV型恒星的光谱。数据处理流程测试表明，黄昏时段观测的数据可以进行有效的天空背景减除，且数据质量满足科学需求。对K0IV型恒星的红端光谱与大气模型拟合显示良好的一致性。

研究结论和意义

WEAVE-Tumble-Less观测模式的开发成功解决了多目标光谱巡天在观测低表面密度亮星目标时的效率瓶颈问题。通过叠加多个观测天区到同一光纤配置，该模式显著减少了观测开销，使WEAVE能够有效利用黄昏时段进行科学观测。作为该模式的试点项目，WEAVE-TwiLight-Survey将产生一个大规模、均匀的亮星光谱目录，特别关注系外行星宿主星。

这一创新方法的意义在于：首先，它扩展了WEAVE的观测能力，使其能够高效观测之前不常使用的低密度天区；其次，WTLS产生的化学丰度数据将为了解行星形成与宿主星化学组成之间的关系提供重要线索，特别是镁丰度([Mg/Fe])等关键参数与行星性质(如岩石行星密度)之间的关联；最后，该技术方案为未来类似仪器解决低密度目标观测问题提供了可借鉴的范例。

WTLS数据集将有助于验证和发展行星形成理论，特别是关于恒星化学组成如何影响行星系统特性的假设。随着PLATO等未来任务发现更多系外行星，WTLS提供的均匀光谱数据将成为表征这些系统宿主星的重要资源，推动我们对银河系内行星形成和演化环境的理解。