盘一架30米的望远镜

　　各类观测手段的发展，好比人的眼耳鼻舌身五感在不断加强。这其中光学望远镜的进步，便好比人类拥有了能够看得更远、更精微的眼睛。让我们跟随世界望远镜发展的脚步，一起到夏威夷莫纳克亚峰来盘一架30米的望远镜。

图1.三十米望远镜天文台 来源：www.tmt.org

　　三十米望远镜是什么？

　　名词解释：

　　三十米望远镜，英文名Thirty Meter Telescope, 简称TMT，是一台地基、光学-红外、主镜直径为30米的下一代、旗舰级望远镜，其台址位于夏威夷莫纳克亚峰。

　　划重点：

　　地基，指的是TMT像大多数望远镜一样建在地球表面上，而非在太空中运行。空间望远镜虽能不受地球大气影响，但造价高昂。将6.5米的JWST送往太空所需花费，远远远远超过一台30米的地基望远镜。而在自适应光学系统的帮助下，地基望远镜也能抵御大气扰动影响，大大提升观测能力（关于自适应光学系统，详见本公众号“观天者说-从功夫高手到绝地武士”）。

　　光学-红外，指的是TMT的工作波段主要是光学和红外波段（以及部分紫外波段）。

　　下一代，指的是TMT已在建设中，但尚未建成。按照目前情况推算，TMT大约将在2028年左右完成全部主体及第一代科学仪器建设，开始首光观测。

　　旗舰级，指的是TMT将是开创望远镜的下一个时代，主宰未来数十年光学天文观测的望远镜之一。

　　台址，TMT建设地点夏威夷莫纳克亚峰，堪称世界顶级天文观测台址。由于原住民抗议，TMT经多年努力，方在2018年10月最终获得土地使用权。

图2.TMT剪影 来源：www.tmt.org

　　比篮球场还大的主镜

　　主镜的口径是一台光学望远镜最重要的代表性指标，望远镜的观测能力、技术难度、成本造价都随口径增长而大幅提升。

　　TMT主镜的直径30米，作为对比，一个标准篮球场的尺寸是28*15米。想想看，这是一面比篮球场还要大得多的镜子！这样大的镜面已不可能一体铸就，而是采用492面1.44米的六角形非球面子镜精密拼接而成。每一面子镜的背后都有着复杂的支撑结构，可以按照要求对镜面进行“微整形”，抵御外界重力等变化的侵袭，达成“百镜如一”“俯仰不动”的成就。

图3.TMT主镜及与篮球场对比图 来源：www.tmt.org

　　或者有人会问，FAST这样500米口径的望远镜都已经建成了，区区30米的望远镜又有何难？还真非常难！这两者的工作波长不一样，建设难度不能以口径来简单比较。举个例子，望远镜主镜的加工精度一般和观测波长在同一个量级，FAST是射电望远镜，反射面精度要求大约分米级，而TMT是光学望远镜，镜面的加工精度需要达到10-7米——一根头发丝直径的百分之一。

　　30米的望远镜能干嘛？

　　人为什么要登山？因为山在那里。

　　人为什么要建设更大的望远镜？因为宇宙在那里。

　　我们总爱问一台望远镜能看多“远”，但其实，抛开“目标亮度”奢谈“观测距离”等于耍流氓。对望远镜而言，每当口径增大一倍，对同样亮度的天体目标，我们就能看得更远一倍。TMT的口径是当前最大望远镜的3倍，那么同样的亮度的天体，它能探测此前3倍远的距离。

　　除了距离以外，我们还会问望远镜能看得多清晰，称之为“分辨率”。望远镜的口径每增大一倍，它就能分辨的细节尺度就可以小一半。不同于射电波段的综合孔径技术能将放置在不同位置的小型望远镜组合成一面“超级”望远镜来增强分辨率，光学波段的干涉观测技术尚不很成熟，多数望远镜还是要依靠增大主镜口径的方法来增强自身分辨观测细节的能力。30米的望远镜，能让我们看得前所未有的清晰。

　　图4.银河系中心黑洞周围恒星观测图。10米凯克望远镜+当前自适应光学系统、10米凯克望远镜+下一代自适应光学系统、30米望远镜+下一代自适应光学系统的清晰度对比。来源：http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/videos/tmt_anim_3panel_still.jpg

　　望远镜口径增大所带给我们观测能力上的提升是全方位的。从暗物质、暗能量到星系、黑洞、星际介质、星云、恒星、系外行星、地外生命，天文学的几乎所有研究领域都将从中受益。2.5米的望远镜能够发现宇宙在膨胀，10米级的望远镜证明了宇宙在加速膨胀（2011年诺贝尔物理学奖），30米的望远镜又能带给我们什么呢？也许是关于宇宙终极命运的启示，也许是暗物质暗能量的真相，也许是黑洞与星系相互作用的奥秘，也许是地外生命的迹象，也许是第二地球的发现，更也许是那些人类还“不知道自己不知道”的宇宙秘密……（欲知详情，且看TMT Detailed Science Case: 2015。）

图5.TMT科学目标 来源：www.tmt.org

　　谁在盘这样一台望远镜？

　　诸如TMT这样的巨型望远镜技术难度高，投资更高达10亿美元以上，哪个国家也难以独自承担。作为人类共同的探索事业，三台下一代30米级望远镜（另外两台分别为25米的巨型麦哲伦望远镜和39米的欧洲极大望远镜）都是国际合作的产物。

　　TMT国际天文台的建设各方包括：美国加州大学、加州理工学院、日本国立天文台、中国国家天文台、印度科技部和加拿大国家研究委员会。

　　作为一台团结的望远镜、合作的望远镜，建设方各展神威承担一部分望远镜的建设工作。我国正在开展的研发就有：拼接镜面子镜单元制备（国家天文台南京天文光学技术研究所）、巨型能动科学转向镜（Giant Steerable Science Mirror，简称GSSM）全系统设计制造（长春光学精密机械与物理研究所）、激光器与激光导星系统（理化技术研究所、光电技术研究所）、科学仪器宽视场光学光谱仪（Wide-Field Optical Spectrometer，简称WFOS））和红外成像光谱仪（Infrared Imaging Spectrograph，简称IRIS）的多个子任务（南京天文光学技术研究所、中国科学技术大学、国家天文台、上海光学精密机械研究所、长春光学精密机械与物理研究所等等）、科学仪器制冷系统（理化技术研究所）、第二代科学仪器高分辨率光学光谱仪（High Resolution Optical Spectrograph，简称HROS）和中红外成像光谱仪（Mid-IR Camera, High-disperser & IFU spectrograph，简称MICHI）（十余家科研院所和大学参与）等等。

图6.TMT建设国际分工图 来源：www.tmt.org

　　别看TMT现在“干干巴巴的，麻麻赖赖的”，5个国家几十个研究机构通力合作再盘它10年，这颗圆润润的大眼睛就将睁开，带我们领略宇宙更深处、更精微处的奥秘与风光。

图7.TMT夜晚观测图，激光导星自适应光学系统正在工作 来源：www.tmt.org

　　作者：沈志侠，系国家天文台CTMT团组，副研究员，主要研究方向：巨型光学望远镜、星团、恒星丰度等。冯麓，系国家天文台CTMT团组，副研究员，主要研究方向：自适应光学技术、激光导星技术、大口径望远镜选址相关内容等。

　　来源：国家天文台微信公众号