美国极大望远镜计划拔得头筹，中国能否和世界一起跃入30米时代？ | 赛先生天文-凯时尊龙官网

撰文 | 沈志侠、薛随建、冯麓（国家天文台）

责编 | 韩越扬、吕浩然

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科学能力的指数性增长

望远镜是人类观察和认识宇宙的眼睛。上世纪90年代至今，以凯克（keck telescope）为代表的地基10米级光学望远镜取得了多项变革性天文成果，使人类对宇宙的认知不断扩展疆域。

其中极具代表性的有两项成果：其一，凯克以强大的集光光谱观测能力，协同哈勃空间望远镜，对遥远的超新星和宿主星系进行观测，助力saul perlmutter, brian schmidt和adam riess三位天文学家因对宇宙加速膨胀的发现而获得2011年诺贝尔物理学奖；其二，凯克不断改进其自适应光学近红外成像能力，助力加州大学女天文学家andrea ghez发现了银河中心所隐藏的超大质量黑洞，并与欧洲同行reinhard genzel分享了2020年诺贝尔物理学奖。

从10米口径的凯克到30米口径的tmt，其集光能力不仅仅是口径平方关系的传统进步，tmt一旦配备当今最先进的自适应光学系统，其空间分辨本领将达到30米口径的衍射极限，特定目标的观测效率将是凯克的百倍。如果凯克望远镜的成功早已令人印象深刻，那么30米级望远镜洞彻深邃宇宙的图景将更加令人兴奋。

那么，刚刚好30米口径的tmt将会在哪些方面的突破呢？

宇宙诞生大约38万年后（约红移1100），经历了一个膨胀冷却，基本粒子复合后形成的、主要以中性氢原子为物质组分的漫长的“”（dark age），这个时代以发光天体形成，宇宙逐渐走向“光明”而结束。那么，究竟第一代发光天体何时形成？甚至第一代发光天体是什么？宇宙如何走向“光明”都是天文学家迫不及待要回答的问题。国际平方公里阵ska、即将发射的詹姆斯韦伯空间望远镜都在试图利用不同的手段、探测宇宙从“暗黑”走向“光明”的特殊纪元。

30米望远镜将在光学和红外波段，更深地回溯宇宙时空，观测宇宙的第一代天体诞生，并层析早期和遥远星系结构，了解宇宙的形成和演化。假如现在的宇宙是个青壮年，借助强大的望远镜我们可以看到它的婴幼儿时期，并了解其一步步成长的过程。

从5米到30米，更大的望远镜可以回溯更深的时空。图中p200为5米海尔望远镜，keck为10米望远镜，tmt为30米望远镜。图片来源：tmt project office

天文学家推测，几乎每个星系中心都存在超大质量黑洞，银河系中心也不例外。为了证实这一点，天文学家利用凯克望远镜和甚大望远镜，分辨出银河系中心附近的数十颗恒星，共同围绕着一个看不见的天体高速运动，并测出其质量约是太阳的415万倍。恒星与这个天体的最近距离不过与太阳系半径相当，如此致密的天体只可能是黑洞。黑洞的引力如此强大，因而能够清晰观测到恒星轨道近心点的施瓦西进动和引力红移，验证了广义相对论的预言。

拥有更高灵敏度和分辨率的30米级望远镜，将能够观测到大量更暗、距离黑洞更近的恒星。通过研究这些恒星的轨道，我们能够进一步探索黑洞视界附近更极端的引力场，精确检验广义相对论理论，甚至发现新的物理。

上图：银河系中心黑洞附近恒星运动轨迹观测动画。下图：10米keck望远镜 当前自适应光学系统、keck 下一代自适应光学系统，与tmt 自适应光学的对比。动画与图片来自ucla galactic center group。

太阳系之外是否还存在如同地球这样的行星？宇宙的其他地方是否存在生命？系外行星的发现速度堪称飞快，而今已在3300多个系统中发现了4500多颗行星（另有近8000颗候选行星等待确认），其中更有160多颗“类地行星”。

随着越来越多系外行星的发现，借助30米级望远镜，天文学家们的研究焦点将从探测发现转为其大气特性研究。如果其他行星也存在如地球一样适宜生命生存的环境,那么浩瀚的宇宙中应该存在其他生命。尽管直接探测外星生命的难度极大,但tmt将能够对处于宜居带的类地行星进行直接成像，并获取其大气反射宿主恒星的光谱，研究其大气的化学成分,以判断该行星是否有利于我们已知的生命形态存在。

现代天文观测揭示出，暗能量主导了宇宙加速膨胀，暗物质使得星系快速转动。肉眼可见的日月星辰，所有发光或有电磁辐射效应的物质只占宇宙物质构成5%不到。这种“奇怪”的宇宙组分是长期以来笼罩现代物理学的“两朵乌云”。

tmt在空间分辨率方面量级性的提高，可望通过强引力透镜事例的精细观测，来揭示暗物质质量分布的细节，有效约束暗物质的“冷热”物理属性；此外，tmt的集光本领还可以通过观测遥远的超新星及其宿主星系（红移4范围以内）的光谱，以了解暗能量在更大的时间范围里，如何主导宇宙结构的演化。

总之，tmt和其他30米级望远镜，做为精细观察宇宙的强大利器，几乎在所有的天文前沿领域，都有望为人类的认知带来划时代的变革。

30米俱乐部

建造中的下一代地基天文光学-红外望远镜共有三台，分别为：25米的巨型麦哲伦望远镜gmt、30米望远镜tmt和39米的欧洲极大望远镜（the european extremely large telescope，简称e-elt ）。

gmt（上，space.com）、tmt（中，ipac）和e-elt（下，wikipedia）模拟图

e-elt在三者之中口径最大，39米的主镜由798面1.44米六角形子镜拼接而成，以欧洲为主的多国天文学家联合组建的欧洲南方天文台负责承建。e-elt已于2017年在南半球的智利赛鲁阿玛逊斯山（cerro amazones）开工建设，计划于2028年首光。

tmt是最早提出的一台30米级望远镜，30米的主镜由492块1.44米六角形子镜拼接而成。tmt国际建设伙伴包括美国加州大学、加州理工学院、日本国立天文台、中国科学院国家天文台、印度科技部和加拿大国家研究委员会。tmt也是三者中唯一一台计划建于北半球的旗舰级装置，不幸的是由于当地原住民的反对，数年来多次试图在夏威夷莫纳克亚山（mauna kea）启动的建设活动被迫中断，显著推迟了tmt的进度。。

不同于e-elt和tmt共同采用的主镜拼接方案，gmt坚持走大镜面合成路线——24.5米的主镜由7块直径8.4米的圆形镜子组合而成，也同时需要相应数目的变形镜副镜，技术挑战颇具个性。gmt由美国卡内基天文台联合美国、澳大利亚、韩国和巴西的多家机构共同建设，台址位于智利拉斯坎帕斯（las campanas），曾经计划于2029年先使用7块镜面中的4块开始首光观测。

考虑到天文学所面临的诸多悬而未决的巨大科学挑战，三架望远镜各具特色的功能，并没有任何冗余，它们的建设和相继使用，将汇聚全球的科学、技术与智慧，使人类以一个前所未有的清晰视野观测深邃而广袤的宇宙,努力寻找终极答案。

艰难的合作

30米量级的望远镜为我们描绘的天文学未来是美好的，但越来越高的造价和技术挑战、运行要求使得望远镜的建造过程充满各种艰辛和努力。与早期望远镜可以主要由独家赞助不同，30米级的望远镜造价将在10亿美元以上，单一的个人、基金会、机构，甚至是国家都难以承担，集中全人类的资金、技术和智慧开展国际共建，成为了一种普遍需求和通行方式。

有了欧洲南方天文台（eso）这种国际协约组织的优势，e-elt得以集中了几乎全欧洲的科技力量，而美国却提出了gmt和tmt两个望远镜计划。难道不是共同做一个更快、更经济、更容易成功吗？人们对此感到困惑。

问题也许在于卡内基天文台和加州理工学院可以追溯到海尔望远镜时期的百年恩怨史。2000年，30米望远镜计划刚刚提出的时候，卡内基和加州理工也曾试图联合起来，但长时间的紧张关系使得那次尝试如泡沫般脆弱地破裂了，甚至加剧了相互之间的敌意。

后来两者在截然不同的技术路线（一个是数百小镜面拼接，一个是个位数的大镜面组合）上各自越走越远，融合也变得越来越不可能。十年前，美国astro2010委员会认为有限的联邦资源只可能支持一个巨型拼接望远镜（gsmt）计划，要求tmt和gmt融合未果后，gsmt被排在第三位（≈基金没中，也没有金主买单！），这对于资金不足的两大望远镜项目皆是一大打击。

一山不容二虎，除非能够互补。gmt和tmt其实有颇多互补之处，比如各自分布在不同的经度和纬度，天区既可互补又有重合，非常有利于时域天文开展同时观测或接力观测；两者的仪器可以互补；两大望远镜建设方的全球合作机会互补；以及更多的观测时间等等。

最终在各方努力下，tmt、gmt与美国国家科学基金会nsf旗下的noirlab联合组成了us-eltp（the united states extremely large telescope program，美国甚大望远镜计划），重新杀回战场，并因天文界对大望远镜的深切渴望而终于获得最优先推荐（≈基金中了！）。

nsf的资助，将为美国天文学家换来两大望远镜25%的观测时间（或者一台的50%）——真是令人羡慕嫉妒恨。

gmt和tmt联合可覆盖全部天区，中间深色为双方重合部分。图片来源：tmt international observatory

中国的参与

在三大下一代30米级望远镜中，tmt对于中国的天文学界具有非同一般的意义。这是中国天文学家第一次参与世界顶尖的下一代光学天文观测设备的建造，有望改变多年来我国只有2米级通用望远镜，落后国际水平数十年的尴尬地位。

中科院国家天文台联合多家院内科研机构和大学，2009年开始参与tmt合作。从国家天文台等天文机构和大学的科学支持，到南京天光所的主镜子镜制备、长春光机所的第三镜全系统研发、理化所的激光器和科学仪器冷却系统、光电所的激光导星系统，再到多家科研单位参与的第一代科学仪器宽视场光学光谱仪等等（国际分工见下图）。这些实物研发是我方对tmt10%份额投资的主要部分，使我们在tmt建设中占据重要地位，也为我国自主发展光学大口径设备积累技术储备和经验。

30米望远镜（tmt）建设国际分工图

值得强调的是，中国相关科研机构自主参加tmt项目并未在国家层面上立项，各个参与单位实际上是“自带干粮”参与国际竞争与合作。未获立项的主要原因之一，是tmt在美国也并未在政府层面“立项”（按照美国传统，主要由科研机构和基金会支持），而现在nsf的加入，相信一定有助于扫除这一障碍。

自2016年以来，即使国际形势急剧变化，也没能阻挡tmt技术研发和中美之间天文科学和技术的合作，在参加astro2020评议的us-elt实施计划书中，tmt项目部分也包括了几乎所有中方团队的技术元素。从美国极大望远镜计划获得优先推荐，到tmt可以进行现场开工建设，依然有段艰难的路程。

对中国团队来说，一方面要紧跟tmt技术研发进度，保障显著的技术贡献度；另一方面还要借力astro2020的东风，加快tmt项目在国内的立项步伐。所有这些工作，面临的挑战都是前所未有的，但目的只有一个：最终实现tmt国际天文台的合作建设，让中国天文学家和国际天文学家一起，引领人类继续那令人心驰神往的探索和发现之旅：太阳系之外的宜居世界，星系成长的驱动之源，宇宙生态系统的新物理……以及更令人神往的“未知的未知”。

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