三十米巨眼窺宇宙

□ 文 何銳思(Richard de Grijs) / 翻譯 程思淼

三十米巨眼窺宇宙

□ 文 何銳思(Richard de Grijs) / 翻譯 程思淼

TMT俯視效果圖（圖片來自：http://www.tmt.org）

何銳思（Richard de Grijs）北京大學科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負責人。

天文學正處在一個黃金時期。在過去的半個世紀里，天文學家借助口徑不斷擴大、設計愈發(fā)精密的新一代望遠鏡和其他設備，做出了許多重大發(fā)現(xiàn)：類星體、黑洞、引力透鏡弧、系外行星、伽瑪射線暴、宇宙微波背景、暗物質(zhì)和暗能量都位列其中。近二十年來，隨著天文觀測衛(wèi)星和8～10米口徑陸基望遠鏡的投入使用，我們對宇宙的認識又有了一幅新的圖景：這是一個由我們還不甚了解的暗物質(zhì)和神秘的真空能（即“暗能量”，其特征是能量密度不變）所主導的宇宙。隨著認識的進步，全新的、也更加基礎性的問題擺在了科學家面前。

在上一代望遠鏡仍繼續(xù)探索宇宙、挑戰(zhàn)我們對宇宙原有理解的同時，關于新一代望遠鏡的計劃也正在醞釀當中。如果不成倍地增加望遠鏡的口徑，那么這些新出現(xiàn)的基礎性難題就無法得到解決。好在，技術的發(fā)展正允許望遠鏡的規(guī)模進行一次質(zhì)的飛躍；現(xiàn)在，30～50米口徑的望遠鏡已在工程建造能力之內(nèi)，而借助這些新生代望遠鏡，天文學家將有能力應對下一代科學問題。這些望遠鏡口徑巨大，能夠收集到遙遠的天體在130億年前發(fā)出的光。也就是說，通過它們，天文學家將能夠一窺大爆炸之后僅4億年、第一批恒星和星系形成時的宇宙圖景。

目前，能夠應對上述新問題、正在籌建的下一代“極大望遠鏡”國際項目共有三個：歐洲南方天文臺（ESO）牽頭的旗艦級項目39米“歐洲特大望遠鏡”（European Extremely Large Telescope，E-ELT），臺址設在智利；與之抗衡的，是由美國提出的“巨麥哲倫望遠鏡”（Giant Magellan Telescope，GMT）；第三個，也是中國天文學家最為關心的，是“三十米望遠鏡”（Thirty Meter Telescope，TMT）項目，中國是該項目的主要成員之一。按照計劃，TMT望遠鏡將建在夏威夷島鏈的最高峰莫納克亞（Mauna Kea）山頂附近。莫納克亞是一座休眠火山，山頂海拔4205米，高踞于云端之上，每年可觀測晴夜多達300天，是著名的天文觀測“圣地”。我在天文職業(yè)生涯中，曾有幸?guī)状蔚侥{克亞山頂?shù)奶煳呐_訪問。那里的景色就像在火星上一樣；雖然地處熱帶，但有時也可以見到地面被冰雪覆蓋，真恍如置身世外之境！夏威夷群島位于太平洋中，與世隔絕，島上只有幾個城市，對天文觀測不利的空氣污染和光污染都非常少。

現(xiàn)在，TMT項目的進展令人興奮，望遠鏡已進入實體建造的階段。TMT項目團隊已宣布，在夏威夷島（當?shù)厝撕腿?nèi)人俗稱的“大島”）的建設工作即將開始，望遠鏡的各部分則早已通過國際合作在全球各地建造。中國于2009年以觀察員的身份加入TMT項目，2013年正式簽訂國際合作協(xié)議。莫納克亞山頂附近的工程將于今年下半年開始。

從設想到動工，TMT走過的路程令人驚異。TMT董事會主席、美國加州大學圣芭芭拉分校校長楊祖佑（Henry Yang）說。

與中國國家天文臺合作，是TMT項目邁出的令人激動的一步，對此我們感到非常高興。我們感謝中國對這個重要的國際項目的垂青，并且期待今后與中國天文界在TMT項目上的進一步合作。

E-ELT效果圖（圖片來源：http://www.eso.org）

GMT效果圖（圖片來自：http://www.gmto.org）

TMT臺址周圍的環(huán)境（圖片來自：http://www.tmt.org）

TMT是10多年前由加拿大大學天文研究聯(lián)盟、美國加州理工學院、美國加州大學聯(lián)合提出的國際合作項目。目前，TMT國際天文臺（TIO）的主要會員單位包括加州理工學院、中國科學院國家天文臺（NAOC）、日本國家自然科學研究所和美國加州大學。印度目前已是合作項目聯(lián)系會員國，并有望在今年下半年成為正式會員。加拿大也醞釀于2015年成為正式合作會員。

多年來，TMT團隊致力于這架前所未有的望遠鏡的設計工作，同時，我們也與當?shù)厣鐓^(qū)合作，我們在工作中盡量不冒犯當?shù)厝诵闹械氖ド健?TMT項目經(jīng)理蓋里·桑德爾斯（Gary Sanders）說。 現(xiàn)在，能夠在這樣一個特殊的地方建設我們的下一代望遠鏡，是十分榮幸和幸運的。

不過，將TMT臺址設在莫納克亞山頂附近的決定，還是引起了一些夏威夷原住民和環(huán)境組織的反對。夏威夷原住民的傳統(tǒng)認為，高山是通向天堂的神圣大門。（目前山上已發(fā)現(xiàn)一處確定的原住民墓葬，另有四個疑似的痕跡。）過去，只有部落酋長和祭司才能夠登上莫納克亞山頂。而環(huán)境保護人士則認為，建造望遠鏡將傷害到山上的瀕危物種。

這就是他們想要留下的遺產(chǎn)嗎？他們不停地在我們的山上建造。

克亞羅阿·皮斯基俄塔（Kealoha Pisciotta）在2009年說道。她是一個維護莫納克亞原住民傳統(tǒng)的組織的領導者。

不過，無須在山上進行的建造工作其實已經(jīng)提前開始，并且一直在開足馬力進行著。

中國承擔了能夠360度轉(zhuǎn)向的TMT第三鏡，即科學轉(zhuǎn)向鏡系統(tǒng)的設計工作，以及激光導星系統(tǒng)和其他一些高科技部件的研發(fā)?！覀兿嘈牛尤隩MT將為中國天文界做出重大發(fā)現(xiàn)、進行科學前沿研究和發(fā)展先進技術提供不可或缺的機會。中國科學院國家天文臺臺長嚴俊說。

TMT的結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來自：http://www.tmt.org）

日本已經(jīng)完成了超過60塊鏡片，它們均由零膨脹系數(shù)的特殊玻璃制成，其形狀不會隨著溫度改變。這些鏡片經(jīng)過高精度拋光后，將拼接成為三十米望遠鏡的主鏡。整個望遠鏡的結(jié)構(gòu)正在一點點成形。 TMT國際天文臺董事會副主席、TMT日本負責人、日本國立天文臺天文學家家正則（Iye Masanori）說。

TMT即將在臺址處開工建造的消息令全世界天文學家振奮。前期的工作成果將在莫納克亞山上會合。TMT已經(jīng)開始對構(gòu)成主鏡的1.4米子鏡進行全面拋光；望遠鏡的很多核心部件也已造出了樣品，包括“自適應光學”技術（用于修正地球大氣抖動的影響）和492塊拼接子鏡的支撐與控制元件。

在臺址開工意味著TMT的計劃正在變成現(xiàn)實，這對天文學家來說是十分振奮的。 美國印第安納大學天文學家、TMT項目觀察員凱瑟林·皮拉科夫斯基（Catherine Pilachowski）說。TMT將要進行的科學工作令人嘆為觀止，它將帶領所有天文學家進入對于嶄新疆域的探索。

TMT效果圖（圖片來自：http://www.tmt. org）

智利山頂?shù)腅-ELT臺址處進行爆破時的場景（圖片來源：http:// www.eso. org）

TMT有望在2020年之前建成，成為第一架下一代巨型陸基光學望遠鏡。這架革命性的望遠鏡整合了目前精密控制、拼接鏡面設計、自適應光學等領域的最新成果。繼上一代巨鏡——10米的凱克（Keck）雙子鏡之后，拼接主鏡面又一次成為TMT的核心技術，不過這次的口徑高達30米，相當于一架波音737客機的翼展。這將使TMT的集光面積提高到目前最大光學望遠鏡的9倍，角分辨率提高到目前的3倍。

不過，TMT項目面臨的競爭十分激烈，它究竟能否成為第一架建成的新一代望遠鏡，我們拭目以待。2014年6月19日，隨著智利阿塔卡馬沙漠上一聲巨響，一座山坡被夷為平地；歐洲南方天文臺的E-ELT望遠鏡正式開工。阿塔卡馬沙漠氣候干燥而寒冷，遠離城市，光污染極少，也是進行天文研究的理想臺址之一。而E-ELT的科學目標也與TMT大同小異：為天文學家提供宇宙起源的新視野，以及尋找銀河系中潛在的類地宜居行星?，F(xiàn)在， 我們還沒有在太陽系附近的某處找到有類地行星存在的證據(jù)，

歐洲南方天文臺在智利的負責人費爾南多·科莫?。‵ernando Comeron）說。

但這并不是因為它們不存在，而只是因為我們還沒有足夠強大的工具探測到它們。有了E-ELT，我們就能做到了。

E-ELT的建設估計需要10年左右，望遠鏡將在建成兩年后開始服役。施工的第一階段估計需要14億美元，施工內(nèi)容首先是要挖掉5000立方米的巖石，將阿瑪佐尼山（Mt. Armazones）的山頂夷平，以支持望遠鏡的地基。

不過，不同國家聯(lián)盟間為“最大”望遠鏡的頭銜進行的“競爭”，其實不過是虛張聲勢，只是為了讓行政部門盡快批準幾臺巨型望遠鏡的計劃，以對整個天空進行觀測。夏威夷大學天文研究所所長魯爾夫·庫德里茨基（Rolf Kudritzki）表示，TMT臺址位于北半球，這與計劃設在南半球智利的GMT和E-ELT望遠鏡觀測的天區(qū)正好能夠形成互補。

借助口徑30～40米的望遠鏡，天文學家對宇宙及天體的起源與演化的研究將能夠前進一大步。在我轉(zhuǎn)職來到北京大學科維理天文與天體物理研究所之前，我曾作為歐洲“鄰近星系”科研團隊的一員，深入?yún)⑴c了E-ELT望遠鏡的前期研究工作。因此，就個人來說，如今能夠作為中國研究機構(gòu)的一員加入TMT項目，而且在TMT確定的研究領域中有兩個我都能有所貢獻，這是非常令人興奮的?！F(xiàn)在，我真的有機會去幫助國際天文界確定未來研究的目標了！

這些極大望遠鏡的“殺手锏”無疑是其直接對銀河系中的系外行星進行直接成像的能力。不過接下來我要講的，是就我個人觀點看，為什么說加入TMT項目將極大地提高正在發(fā)展中的中國天文界的國際競爭力。我將以我自己在北京大學的課題組為例。

在宇宙中，恒星，尤其是大質(zhì)量的恒星，很少單獨存在。事實上，人們發(fā)現(xiàn)，比較活躍的恒星形成過程大多會產(chǎn)生星團。因此，星團就相當于是母星系中發(fā)生過那些超過平均水平的活躍恒星形成事件的“歷史記錄”。

為了研究更遠的星團中恒星的年齡結(jié)構(gòu)，天文學家需要盡可能地消除地球（對流層中）大氣抖動對觀測的影響，用專業(yè)的術語說，就是希望觀測的分辨率能夠達到“衍射極限”。為了達到這個目的，天才的望遠鏡工程師們研發(fā)了“自適應光學”的技術。

簡單地說，其原理就是，先利用激光在（比對流層高得多的）電離層中“造”出一個仿真的“導星”，然后通過觀測這顆激光導星被對流層大氣扭曲后的樣子，由計算機推算出大氣對星光的影響，然后通過鏡片的支撐系統(tǒng)向鏡片背面施加壓力，使鏡面的形狀發(fā)生特定的改變，以抵消此時大氣的影響。由于空氣的流動瞬息萬變，這一抵消其影響的動作需要以每秒數(shù)十次的頻率不斷進行，對計算機和工程的要求極高?，F(xiàn)在，陸基大望遠鏡的觀測能力都極大地依賴于其自適應光學系統(tǒng)的有效性。對遙遠星團的研究將是未來30米級望遠鏡能夠大展身手的地方，因為哈勃望遠鏡及其太空繼承者的口徑都要小得多，完全不是對手。

我們有TMT是幸運的。它將把我們的目光延伸到最活躍的、被塵埃包裹的恒星形成區(qū)的核心。它將能夠幫助我們解決恒星形成過程中的關鍵問題（諸如“恒星形成的進程是如何觸發(fā)的”），以及新形成的恒星與其周圍環(huán)境相互作用的關鍵所在。除此之外，我們還可以研究，那些年輕的星團樣恒星形成區(qū)是如何演化變成更成熟的動力學平衡系統(tǒng)的。

與現(xiàn)在的10米級望遠鏡相比，30米級望遠鏡的集光面積要大得多，其分辨密集星團中恒星或星系團中星系的能力將得到大幅提高（可觀測距離至少比現(xiàn)在最好的水平提高5倍）。并且，我們還可以在宇宙整體演化能夠起作用的遙遠距離上，研究一個個星團系統(tǒng)（如銀河系或仙女座星系中年老的球狀星團）的行為。

在這里故事回到了開頭，前后圓滿地銜接起來：我們之前說過，TMT的主要科學目標，就是探測宇宙早期的整體演化。憑借望遠鏡巨大的口徑，TMT能夠在天文學的各個領域進行宇宙學尺度的研究（即對無論在距離還是時間尺度上都可與整個宇宙相比的天體的研究）。以前，我從未把自己看作是一個宇宙學家，現(xiàn)在有了TMT，情況要發(fā)生變化了！不同年齡的星團系統(tǒng)提供了其母星系形成和演化的線索，TMT可以直接對那些在宇宙學距離上的遙遠星團進行成像觀測，也就是直接窺視宇宙在其生命極早期的圖景。這是前所未有的事，也是人類科學的一次重大進步。

回到我自己在北京大學項目組的研究。我激動地發(fā)現(xiàn)，我個人基于TMT的觀測結(jié)果將能做出的研究，正好可以補充和擴展目前已有的成果。這有可能幫助我們解決星團形成及其長時段演化領域中的一系列關鍵的開放性問題。拿到這些漂亮的觀測數(shù)據(jù)，也就是十年之內(nèi)的事；讀者可以想象，對此我是多么期待！

夜間工作進行激光導星的TMT（圖片來自：http://www.tmt.org）