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撰文 | 沈志俠、薛隨建、馮麓（國家天文臺）

責(zé)編 | 韓越揚(yáng)、呂浩然

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科學(xué)能力的指數(shù)性增長

望遠(yuǎn)鏡是人類觀察和認(rèn)識宇宙的眼睛。上世紀(jì)90年代至今，以凱克（Keck Telescope）為代表的地基10米級光學(xué)望遠(yuǎn)鏡取得了多項(xiàng)變革性天文成果，使人類對宇宙的認(rèn)知不斷擴(kuò)展疆域。

其中極具代表性的有兩項(xiàng)成果：其一，凱克以強(qiáng)大的集光光譜觀測能力，協(xié)同哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，對遙遠(yuǎn)的超新星和宿主星系進(jìn)行觀測，助力Saul Perlmutter, Brian Schmidt和Adam Riess三位天文學(xué)家因?qū)τ钪婕铀倥蛎浀陌l(fā)現(xiàn)而獲得2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；其二，凱克不斷改進(jìn)其自適應(yīng)光學(xué)近紅外成像能力，助力加州大學(xué)女天文學(xué)家Andrea Ghez發(fā)現(xiàn)了銀河中心所隱藏的超大質(zhì)量黑洞，并與歐洲同行Reinhard Genzel分享了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

從10米口徑的凱克到30米口徑的TMT，其集光能力不僅僅是口徑平方關(guān)系的傳統(tǒng)進(jìn)步，TMT一旦配備當(dāng)今最先進(jìn)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其空間分辨本領(lǐng)將達(dá)到30米口徑的衍射極限，特定目標(biāo)的觀測效率將是凱克的百倍。如果凱克望遠(yuǎn)鏡的成功早已令人印象深刻，那么30米級望遠(yuǎn)鏡洞徹深邃宇宙的圖景將更加令人興奮。

那么，剛剛好30米口徑的TMT將會在哪些方面的突破呢？

宇宙誕生大約38萬年后（約紅移1100），經(jīng)歷了一個(gè)膨脹冷卻，基本粒子復(fù)合后形成的、主要以中性氫原子為物質(zhì)組分的漫長的“暗黑時(shí)代”（Dark Age），這個(gè)時(shí)代以發(fā)光天體形成，宇宙逐漸走向“光明”而結(jié)束。那么，究竟第一代發(fā)光天體何時(shí)形成？甚至第一代發(fā)光天體是什么？宇宙如何走向“光明”都是天文學(xué)家迫不及待要回答的問題。國際平方公里陣SKA、即將發(fā)射的詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡都在試圖利用不同的手段、探測宇宙從“暗黑”走向“光明”的特殊紀(jì)元。

30米望遠(yuǎn)鏡將在光學(xué)和紅外波段，更深地回溯宇宙時(shí)空，觀測宇宙的第一代天體誕生，并層析早期和遙遠(yuǎn)星系結(jié)構(gòu)，了解宇宙的形成和演化。假如現(xiàn)在的宇宙是個(gè)青壯年，借助強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡我們可以看到它的嬰幼兒時(shí)期，并了解其一步步成長的過程。

從5米到30米，更大的望遠(yuǎn)鏡可以回溯更深的時(shí)空。圖中P200為5米海爾望遠(yuǎn)鏡，Keck為10米望遠(yuǎn)鏡，TMT為30米望遠(yuǎn)鏡。圖片來源：TMT Project Office

天文學(xué)家推測，幾乎每個(gè)星系中心都存在超大質(zhì)量黑洞，銀河系中心也不例外。為了證實(shí)這一點(diǎn)，天文學(xué)家利用凱克望遠(yuǎn)鏡和甚大望遠(yuǎn)鏡，分辨出銀河系中心附近的數(shù)十顆恒星，共同圍繞著一個(gè)看不見的天體高速運(yùn)動(dòng)，并測出其質(zhì)量約是太陽的415萬倍。恒星與這個(gè)天體的最近距離不過與太陽系半徑相當(dāng)，如此致密的天體只可能是黑洞。黑洞的引力如此強(qiáng)大，因而能夠清晰觀測到恒星軌道近心點(diǎn)的施瓦西進(jìn)動(dòng)和引力紅移，驗(yàn)證了廣義相對論的預(yù)言。

擁有更高靈敏度和分辨率的30米級望遠(yuǎn)鏡，將能夠觀測到大量更暗、距離黑洞更近的恒星。通過研究這些恒星的軌道，我們能夠進(jìn)一步探索黑洞視界附近更極端的引力場，精確檢驗(yàn)廣義相對論理論，甚至發(fā)現(xiàn)新的物理。

上圖：銀河系中心黑洞附近恒星運(yùn)動(dòng)軌跡觀測動(dòng)畫。下圖：10米Keck望遠(yuǎn)鏡+當(dāng)前自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、Keck+下一代自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，與TMT+自適應(yīng)光學(xué)的對比。動(dòng)畫與圖片來自UCLA Galactic Center Group。

太陽系之外是否還存在如同地球這樣的行星？宇宙的其他地方是否存在生命？系外行星的發(fā)現(xiàn)速度堪稱飛快，而今已在3300多個(gè)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了4500多顆行星（另有近8000顆候選行星等待確認(rèn)），其中更有160多顆“類地行星”。

隨著越來越多系外行星的發(fā)現(xiàn)，借助30米級望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家們的研究焦點(diǎn)將從探測發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)為其大氣特性研究。如果其他行星也存在如地球一樣適宜生命生存的環(huán)境,那么浩瀚的宇宙中應(yīng)該存在其他生命。盡管直接探測外星生命的難度極大,但TMT將能夠?qū)μ幱谝司訋У念惖匦行沁M(jìn)行直接成像，并獲取其大氣反射宿主恒星的光譜，研究其大氣的化學(xué)成分,以判斷該行星是否有利于我們已知的生命形態(tài)存在。

現(xiàn)代天文觀測揭示出，暗能量主導(dǎo)了宇宙加速膨脹，暗物質(zhì)使得星系快速轉(zhuǎn)動(dòng)。肉眼可見的日月星辰，所有發(fā)光或有電磁輻射效應(yīng)的物質(zhì)只占宇宙物質(zhì)構(gòu)成5%不到。這種“奇怪”的宇宙組分是長期以來籠罩現(xiàn)代物理學(xué)的“兩朵烏云”。

TMT在空間分辨率方面量級性的提高，可望通過強(qiáng)引力透鏡事例的精細(xì)觀測，來揭示暗物質(zhì)質(zhì)量分布的細(xì)節(jié)，有效約束暗物質(zhì)的“冷熱”物理屬性；此外，TMT的集光本領(lǐng)還可以通過觀測遙遠(yuǎn)的超新星及其宿主星系（紅移4范圍以內(nèi)）的光譜，以了解暗能量在更大的時(shí)間范圍里，如何主導(dǎo)宇宙結(jié)構(gòu)的演化。

總之，TMT和其他30米級望遠(yuǎn)鏡，做為精細(xì)觀察宇宙的強(qiáng)大利器，幾乎在所有的天文前沿領(lǐng)域，都有望為人類的認(rèn)知帶來劃時(shí)代的變革。

30米俱樂部

建造中的下一代地基天文光學(xué)-紅外望遠(yuǎn)鏡共有三臺，分別為：25米的巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡GMT、30米望遠(yuǎn)鏡TMT和39米的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡（the European Extremely Large Telescope，簡稱E-ELT ）。

GMT（上，space.com）、TMT（中，IPAC）和E-ELT（下，Wikipedia）模擬圖

E-ELT在三者之中口徑最大，39米的主鏡由798面1.44米六角形子鏡拼接而成，以歐洲為主的多國天文學(xué)家聯(lián)合組建的歐洲南方天文臺負(fù)責(zé)承建。E-ELT已于2017年在南半球的智利賽魯阿瑪遜斯山（Cerro Amazones）開工建設(shè)，計(jì)劃于2028年首光。

TMT是最早提出的一臺30米級望遠(yuǎn)鏡，30米的主鏡由492塊1.44米六角形子鏡拼接而成。TMT國際建設(shè)伙伴包括美國加州大學(xué)、加州理工學(xué)院、日本國立天文臺、中國科學(xué)院國家天文臺、印度科技部和加拿大國家研究委員會。TMT也是三者中唯一一臺計(jì)劃建于北半球的旗艦級裝置，不幸的是由于當(dāng)?shù)卦∶竦姆磳?，?shù)年來多次試圖在夏威夷莫納克亞山（Mauna Kea）啟動(dòng)的建設(shè)活動(dòng)被迫中斷，顯著推遲了TMT的進(jìn)度。。

不同于E-ELT和TMT共同采用的主鏡拼接方案，GMT堅(jiān)持走大鏡面合成路線——24.5米的主鏡由7塊直徑8.4米的圓形鏡子組合而成，也同時(shí)需要相應(yīng)數(shù)目的變形鏡副鏡，技術(shù)挑戰(zhàn)頗具個(gè)性。GMT由美國卡內(nèi)基天文臺聯(lián)合美國、澳大利亞、韓國和巴西的多家機(jī)構(gòu)共同建設(shè)，臺址位于智利拉斯坎帕斯（Las Campanas），曾經(jīng)計(jì)劃于2029年先使用7塊鏡面中的4塊開始首光觀測。

考慮到天文學(xué)所面臨的諸多懸而未決的巨大科學(xué)挑戰(zhàn)，三架望遠(yuǎn)鏡各具特色的功能，并沒有任何冗余，它們的建設(shè)和相繼使用，將匯聚全球的科學(xué)、技術(shù)與智慧，使人類以一個(gè)前所未有的清晰視野觀測深邃而廣袤的宇宙,努力尋找終極答案。

艱難的合作

30米量級的望遠(yuǎn)鏡為我們描繪的天文學(xué)未來是美好的，但越來越高的造價(jià)和技術(shù)挑戰(zhàn)、運(yùn)行要求使得望遠(yuǎn)鏡的建造過程充滿各種艱辛和努力。與早期望遠(yuǎn)鏡可以主要由獨(dú)家贊助不同，30米級的望遠(yuǎn)鏡造價(jià)將在10億美元以上，單一的個(gè)人、基金會、機(jī)構(gòu)，甚至是國家都難以承擔(dān)，集中全人類的資金、技術(shù)和智慧開展國際共建，成為了一種普遍需求和通行方式。

有了歐洲南方天文臺（ESO）這種國際協(xié)約組織的優(yōu)勢，E-ELT得以集中了幾乎全歐洲的科技力量，而美國卻提出了GMT和TMT兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃。難道不是共同做一個(gè)更快、更經(jīng)濟(jì)、更容易成功嗎？人們對此感到困惑。

問題也許在于卡內(nèi)基天文臺和加州理工學(xué)院可以追溯到海爾望遠(yuǎn)鏡時(shí)期的百年恩怨史。2000年，30米望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃剛剛提出的時(shí)候，卡內(nèi)基和加州理工也曾試圖聯(lián)合起來，但長時(shí)間的緊張關(guān)系使得那次嘗試如泡沫般脆弱地破裂了，甚至加劇了相互之間的敵意。

后來兩者在截然不同的技術(shù)路線（一個(gè)是數(shù)百小鏡面拼接，一個(gè)是個(gè)位數(shù)的大鏡面組合）上各自越走越遠(yuǎn)，融合也變得越來越不可能。十年前，美國Astro2010委員會認(rèn)為有限的聯(lián)邦資源只可能支持一個(gè)巨型拼接望遠(yuǎn)鏡（GSMT）計(jì)劃，要求TMT和GMT融合未果后，GSMT被排在第三位（≈基金沒中，也沒有金主買單?。?/span>，這對于資金不足的兩大望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目皆是一大打擊。

一山不容二虎，除非能夠互補(bǔ)。GMT和TMT其實(shí)有頗多互補(bǔ)之處，比如各自分布在不同的經(jīng)度和緯度，天區(qū)既可互補(bǔ)又有重合，非常有利于時(shí)域天文開展同時(shí)觀測或接力觀測；兩者的儀器可以互補(bǔ)；兩大望遠(yuǎn)鏡建設(shè)方的全球合作機(jī)會互補(bǔ)；以及更多的觀測時(shí)間等等。

最終在各方努力下，TMT、GMT與美國國家科學(xué)基金會NSF旗下的NOIRLab聯(lián)合組成了US-ELTP（The United States Extremely Large Telescope Program，美國甚大望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃），重新殺回戰(zhàn)場，并因天文界對大望遠(yuǎn)鏡的深切渴望而終于獲得最優(yōu)先推薦（≈基金中了?。?/span>。

NSF的資助，將為美國天文學(xué)家換來兩大望遠(yuǎn)鏡25%的觀測時(shí)間（或者一臺的50%）——真是令人羨慕嫉妒恨。

GMT和TMT聯(lián)合可覆蓋全部天區(qū)，中間深色為雙方重合部分。圖片來源：TMT International Observatory

中國的參與

在三大下一代30米級望遠(yuǎn)鏡中，TMT對于中國的天文學(xué)界具有非同一般的意義。這是中國天文學(xué)家第一次參與世界頂尖的下一代光學(xué)天文觀測設(shè)備的建造，有望改變多年來我國只有2米級通用望遠(yuǎn)鏡，落后國際水平數(shù)十年的尷尬地位。

中科院國家天文臺聯(lián)合多家院內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)，2009年開始參與TMT合作。從國家天文臺等天文機(jī)構(gòu)和大學(xué)的科學(xué)支持，到南京天光所的主鏡子鏡制備、長春光機(jī)所的第三鏡全系統(tǒng)研發(fā)、理化所的激光器和科學(xué)儀器冷卻系統(tǒng)、光電所的激光導(dǎo)星系統(tǒng)，再到多家科研單位參與的第一代科學(xué)儀器寬視場光學(xué)光譜儀等等（國際分工見下圖）。這些實(shí)物研發(fā)是我方對TMT10%份額投資的主要部分，使我們在TMT建設(shè)中占據(jù)重要地位，也為我國自主發(fā)展光學(xué)大口徑設(shè)備積累技術(shù)儲備和經(jīng)驗(yàn)。

30米望遠(yuǎn)鏡（TMT）建設(shè)國際分工圖

值得強(qiáng)調(diào)的是，中國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)自主參加TMT項(xiàng)目并未在國家層面上立項(xiàng)，各個(gè)參與單位實(shí)際上是“自帶干糧”參與國際競爭與合作。未獲立項(xiàng)的主要原因之一，是TMT在美國也并未在政府層面“立項(xiàng)”（按照美國傳統(tǒng)，主要由科研機(jī)構(gòu)和基金會支持），而現(xiàn)在NSF的加入，相信一定有助于掃除這一障礙。

自2016年以來，即使國際形勢急劇變化，也沒能阻擋TMT技術(shù)研發(fā)和中美之間天文科學(xué)和技術(shù)的合作，在參加Astro2020評議的US-ELT實(shí)施計(jì)劃書中，TMT項(xiàng)目部分也包括了幾乎所有中方團(tuán)隊(duì)的技術(shù)元素。從美國極大望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃獲得優(yōu)先推薦，到TMT可以進(jìn)行現(xiàn)場開工建設(shè)，依然有段艱難的路程。

對中國團(tuán)隊(duì)來說，一方面要緊跟TMT技術(shù)研發(fā)進(jìn)度，保障顯著的技術(shù)貢獻(xiàn)度；另一方面還要借力Astro2020的東風(fēng)，加快TMT項(xiàng)目在國內(nèi)的立項(xiàng)步伐。所有這些工作，面臨的挑戰(zhàn)都是前所未有的，但目的只有一個(gè)：最終實(shí)現(xiàn)TMT國際天文臺的合作建設(shè)，讓中國天文學(xué)家和國際天文學(xué)家一起，引領(lǐng)人類繼續(xù)那令人心馳神往的探索和發(fā)現(xiàn)之旅：太陽系之外的宜居世界，星系成長的驅(qū)動(dòng)之源，宇宙生態(tài)系統(tǒng)的新物理……以及更令人神往的“未知的未知”。

制版編輯 | Morgan