美國極大望遠鏡計劃拔得頭籌，中國能否和世界一起躍入30米時代？ | 賽先生天文
千呼萬喚始出來，面向2023-2032的美國天文和天體物理十年規(guī)劃（Decadal Survey）Astro2020，終于在11月4日晚發(fā)布，備受關注的美國極大望遠鏡計劃以最高優(yōu)先級獲得推薦實施。
美國極大望遠鏡計劃（US-ELTP），由兩大下一代30米級地基光學紅外望遠鏡TMT（Thirty Meter Telescope, 簡稱TMT）、GMT（The Giant Magellan Telescope，簡稱GMT）以及美國自然科學基金委員會（NSF）旗下的國家光學紅外實驗室（NOIRLab）聯(lián)合組建。自2009年以來，中方團隊已與TMT開展了十余年的深入合作，我們期待US-ELTP立項能為TMT中美合作帶來快速發(fā)展的良機，使得中國天文學家有機會與世界一起邁入三十米時代。
撰文 | 沈志俠、薛隨建、馮麓（國家天文臺）
責編 | 韓越揚、呂浩然
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科學能力的指數(shù)性增長
望遠鏡是人類觀察和認識宇宙的眼睛。上世紀90年代至今，以凱克（Keck Telescope）為代表的地基10米級光學望遠鏡取得了多項變革性天文成果，使人類對宇宙的認知不斷擴展疆域。
其中極具代表性的有兩項成果：其一，凱克以強大的集光光譜觀測能力，協(xié)同哈勃空間望遠鏡，對遙遠的超新星和宿主星系進行觀測，助力Saul Perlmutter, Brian Schmidt和Adam Riess三位天文學家因對宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)而獲得2011年諾貝爾物理學獎；其二，凱克不斷改進其自適應光學近紅外成像能力，助力加州大學女天文學家Andrea Ghez發(fā)現(xiàn)了銀河中心所隱藏的超大質量黑洞，并與歐洲同行Reinhard Genzel分享了2020年諾貝爾物理學獎。
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系的傳統(tǒng)進步，TMT一旦配備當今最先進的自適應光學系統(tǒng)，其空間分辨本領將達到30米口徑的衍射極限，特定目標的觀測效率將是凱克的百倍。如果凱克望遠鏡的成功早已令人印象深刻，那么30米級望遠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），經歷了一個膨脹冷卻，基本粒子復合后形成的、主要以中性氫原子為物質組分的漫長的“暗黑時代”（Dark Age），這個時代以發(fā)光天體形成，宇宙逐漸走向“光明”而結束。那么，究竟第一代發(fā)光天體何時形成？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”的特殊紀元。
30米望遠鏡將在光學和紅外波段，更深地回溯宇宙時空，觀測宇宙的第一代天體誕生，并層析早期和遙遠星系結構，了解宇宙的形成和演化。假如現(xiàn)在的宇宙是個青壯年，借助強大的望遠鏡我們可以看到它的嬰幼兒時期，并了解其一步步成長的過程。
從5米到30米，更大的望遠鏡可以回溯更深的時空。圖中P200為5米海爾望遠鏡，Keck為10米望遠鏡，TMT為30米望遠鏡。圖片來源：TMT Project Office
天文學家推測，幾乎每個星系中心都存在超大質量黑洞，銀河系中心也不例外。為了證實這一點，天文學家利用凱克望遠鏡和甚大望遠鏡，分辨出銀河系中心附近的數(shù)十顆恒星，共同圍繞著一個看不見的天體高速運動，并測出其質量約是太陽的415萬倍。恒星與這個天體的最近距離不過與太陽系半徑相當，如此致密的天體只可能是黑洞。黑洞的引力如此強大，因而能夠清晰觀測到恒星軌道近心點的施瓦西進動和引力紅移，驗證了廣義相對論的預言。
擁有更高靈敏度和分辨率的30米級望遠鏡，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，我們能夠進一步探索黑洞視界附近更極端的引力場，精確檢驗廣義相對論理論，甚至發(fā)現(xiàn)新的物理。
上圖：銀河系中心黑洞附近恒星運動軌跡觀測動畫。下圖：10米Keck望遠鏡+當前自適應光學系統(tǒng)、Keck+下一代自適應光學系統(tǒng)，與TMT+自適應光學的對比。動畫與圖片來自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），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米級望遠鏡，天文學家們的研究焦點將從探測發(fā)現(xiàn)轉為其大氣特性研究。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將能夠對處于宜居帶的類地行星進行直接成像，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，暗能量主導了宇宙加速膨脹，暗物質使得星系快速轉動。肉眼可見的日月星辰，所有發(fā)光或有電磁輻射效應的物質只占宇宙物質構成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，可望通過強引力透鏡事例的精細觀測，來揭示暗物質質量分布的細節(jié)，有效約束暗物質的“冷熱”物理屬性；此外，TMT的集光本領還可以通過觀測遙遠的超新星及其宿主星系（紅移4范圍以內）的光譜，以了解暗能量在更大的時間范圍里，如何主導宇宙結構的演化。
總之，TMT和其他30米級望遠鏡，做為精細觀察宇宙的強大利器，幾乎在所有的天文前沿領域，都有望為人類的認知帶來劃時代的變革。
30米俱樂部
建造中的下一代地基天文光學-紅外望遠鏡共有三臺，分別為：25米的巨型麥哲倫望遠鏡GMT、30米望遠鏡TMT和39米的歐洲極大望遠鏡（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家聯(lián)合組建的歐洲南方天文臺負責承建。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，計劃于2028年首光。
TMT是最早提出的一臺30米級望遠鏡，30米的主鏡由492塊1.44米六角形子鏡拼接而成。TMT國際建設伙伴包括美國加州大學、加州理工學院、日本國立天文臺、中國科學院國家天文臺、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劃建于北半球的旗艦級裝置，不幸的是由于當?shù)卦∶竦姆磳?，?shù)年來多次試圖在夏威夷莫納克亞山（Mauna Kea）啟動的建設活動被迫中斷，顯著推遲了TMT的進度。。
不同于E-ELT和TMT共同采用的主鏡拼接方案，GMT堅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，也同時需要相應數(shù)目的變形鏡副鏡，技術挑戰(zhàn)頗具個性。GMT由美國卡內基天文臺聯(lián)合美國、澳大利亞、韓國和巴西的多家機構共同建設，臺址位于智利拉斯坎帕斯（Las Campanas），曾經計劃于2029年先使用7塊鏡面中的4塊開始首光觀測。
考慮到天文學所面臨的諸多懸而未決的巨大科學挑戰(zhàn)，三架望遠鏡各具特色的功能，并沒有任何冗余，它們的建設和相繼使用，將匯聚全球的科學、技術與智慧，使人類以一個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米量級的望遠鏡為我們描繪的天文學未來是美好的，但越來越高的造價和技術挑戰(zhàn)、運行要求使得望遠鏡的建造過程充滿各種艱辛和努力。與早期望遠鏡可以主要由獨家贊助不同，30米級的望遠鏡造價將在10億美元以上，單一的個人、基金會、機構，甚至是國家都難以承擔，集中全人類的資金、技術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兩個望遠鏡計劃。難道不是共同做一個更快、更經濟、更容易成功嗎？人們對此感到困惑。
問題也許在于卡內基天文臺和加州理工學院可以追溯到海爾望遠鏡時期的百年恩怨史。2000年，30米望遠鏡計劃剛剛提出的時候，卡內基和加州理工也曾試圖聯(lián)合起來，但長時間的緊張關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路線（一個是數(shù)百小鏡面拼接，一個是個位數(shù)的大鏡面組合）上各自越走越遠，融合也變得越來越不可能。十年前，美國Astro2010委員會認為有限的聯(lián)邦資源只可能支持一個巨型拼接望遠鏡（GSMT）計劃，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鏡項目皆是一大打擊。
一山不容二虎，除非能夠互補。GMT和TMT其實有頗多互補之處，比如各自分布在不同的經度和緯度，天區(qū)既可互補又有重合，非常有利于時域天文開展同時觀測或接力觀測；兩者的儀器可以互補；兩大望遠鏡建設方的全球合作機會互補；以及更多的觀測時間等等。
最終在各方努力下，TMT、GMT與美國國家科學基金會NSF旗下的NOIRLab聯(lián)合組成了US-ELTP（The United States Extremely Large Telescope Program，美國甚大望遠鏡計劃），重新殺回戰(zhàn)場，并因天文界對大望遠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，將為美國天文學家換來兩大望遠鏡25%的觀測時間（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米級望遠鏡中，TMT對于中國的天文學界具有非同一般的意義。這是中國天文學家第一次參與世界頂尖的下一代光學天文觀測設備的建造，有望改變多年來我國只有2米級通用望遠鏡，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)合多家院內科研機構和大學，2009年開始參與TMT合作。從國家天文臺等天文機構和大學的科學支持，到南京天光所的主鏡子鏡制備、長春光機所的第三鏡全系統(tǒng)研發(fā)、理化所的激光器和科學儀器冷卻系統(tǒng)、光電所的激光導星系統(tǒng)，再到多家科研單位參與的第一代科學儀器寬視場光學光譜儀等等（國際分工見下圖）。這些實物研發(fā)是我方對TMT10%份額投資的主要部分，使我們在TMT建設中占據(jù)重要地位，也為我國自主發(fā)展光學大口徑設備積累技術儲備和經驗。
30米望遠鏡（TMT）建設國際分工圖
值得強調的是，中國相關科研機構自主參加TMT項目并未在國家層面上立項，各個參與單位實際上是“自帶干糧”參與國際競爭與合作。未獲立項的主要原因之一，是TMT在美國也并未在政府層面“立項”（按照美國傳統(tǒng)，主要由科研機構和基金會支持），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技術研發(fā)和中美之間天文科學和技術的合作，在參加Astro2020評議的US-ELT實施計劃書中，TMT項目部分也包括了幾乎所有中方團隊的技術元素。從美國極大望遠鏡計劃獲得優(yōu)先推薦，到TMT可以進行現(xiàn)場開工建設，依然有段艱難的路程。
對中國團隊來說，一方面要緊跟TMT技術研發(fā)進度，保障顯著的技術貢獻度；另一方面還要借力Astro2020的東風，加快TMT項目在國內的立項步伐。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：最終實現(xiàn)TMT國際天文臺的合作建設，讓中國天文學家和國際天文學家一起，引領人類繼續(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，星系成長的驅動之源，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”。
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作者簡介
沈志俠
博士，現(xiàn)為國家天文臺副研究員，三十米望遠鏡項目組成員。主要研究方向為恒星和星團。
薛隨建
博士，國家天文臺研究員、原副臺長。TMT-中國項目經理TMT董事會董事、科學咨詢委員會委員。主要研究方向為星系和星系團。
馮麓
博士，現(xiàn)為國家天文臺副研究員，三十米望遠鏡項目組成員。主要研究方向為自適應光學系統(tǒng)，鈉激光導星技術及相應的天文觀測方法。
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制版編輯 | Morgan
