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美国天文十年规划呼之欲出,国家极大望远镜计划能否落地?

来源:光明网2021-09-20 17:53

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  9月7日,美国科学院网站发布一则消息,面向2022-2032的天文和天体物理十年规划(Decadal Survey)Astro2020,将于2021年秋季发布!这显然是为了安抚无数人焦急期待、甚至惴惴不安的复杂心情。Astro2020是美国历史上第7个十年规划,包括美国国家极大望远镜计划US-ELTP等重大地基天文项目计划,谁能获得优先推荐实施?国际天文界也在拭目以待。对于中国天文界来说,因为深度参与US-ELTP,因此,不再仅仅是美国十年规划的看客而已。

美国天文十年规划呼之欲出,国家极大望远镜计划能否落地?  

图1. 美国极大望远镜计划US-ELTP的核心,是规划建设一南(智利)一北(夏威夷)两架30米级光学-红外望远镜,即GMT(24.5米,右图)和TMT(30米,左图)

  美国光学天文,传统上富商、巨贾、慈善家及私人基金会,起了巨大的助推作用。如今我们耳熟能详海尔5米望远镜、以及麦哲伦6.5米,以及凯克10米望远镜等等,都隶属于捐赠受益的、少数精英大学或机构,但使用权并不普惠大众,多数大学的天文学者,还是更加期待国有光学天文设备的长足发展。相比于二战之后,受益于国家投入,迅速发展起来的射电天文、空间天文、高能天文等等,国有大型光学设施的缺乏,成为制约美国天文学整体发展的严重瓶颈。上世纪60年代,美国首个十年规划(Ground-Based Astronomy: ATen-Year Program, 1964)关注的焦点是如何规划国有、地基光学实施的发展。之后,经历数个十年规划的助力,美国国立光学天文设施从4米级设备起步,也终于在新世纪初建成了两座8米口径,一南一北分布的双子座天文台,此外,2023年还即将启用鲁宾劳拉(8米)、功能强大的、全景式巡天望远镜,至此,美国国立大型光学设备总算有了新格局。

美国天文十年规划呼之欲出,国家极大望远镜计划能否落地?

图2. 美国天文十年规划Astrono2020进程(https://www.nationalacademies.org/our-work/decadal-survey-on-astronomy-and-astrophysics-2020-astro2020)

  自上世纪90年代起,光学-红外天文进入地基和空间观测并驾齐驱的时代。多架欧美地基8-10级望远镜,以及空间哈勃望远镜(2.4米)协同配合,令欧美天文学家斩获近年来多天文项诺奖成果,同时也揭示出更多的宇宙谜团,呼唤望远镜的探测能力要有量级上的跨越。即将发射的美国詹姆斯韦伯空间望远镜(6.5米),标志着这个空地探测能力实现量级跨越的、新时代的开端,那么国际上早已名声赫赫的三大地基极大望远镜方案,即美国三十米望远镜TMT(口径30米)、巨麦哲伦GMT(24.5米)和欧洲南方天文台的极大望远镜计划E-ELT(39米),各自起起伏伏,在过去的20年里,的确上演了一场“龟兔”赛跑的“军备”竞争。

美国天文十年规划呼之欲出,国家极大望远镜计划能否落地? 

图3. 由美国、中国、日本、加拿大和印度五国分工协作建设的三十米光学-红外望远镜TMT。中方相关机构承担了包括望远镜主镜、三镜、激光导星系统和科学仪器及制冷系统的研发任务,如果全部实现,将主要以实物贡献的形式,享有TMT国际天文台10%份额的权益

  受益于慈善家戈登摩尔(Gordon Moore)私人基金会2亿美金的资助,加州理工和加州大学系统启动了TMT项目研发,之后TMT又发展了包括加拿大、日本、中国(国家天文台代表)和印度四个国际合作伙伴,于2014年成立TMT国际天文台(TIO),原计划于2015年在夏威夷大岛破土动工,2025年实现首光。不曾想TMT开工,获得举世关注事件,却成了夏威夷原住民,与地方政府及相关机构历史积怨的爆发点,借机对抗各种行政法令,以争取各种社会利益诉求。TIO组织甚至是夏威夷州政府显然不能一时安抚好夏威夷原住民的情绪,至今,TMT延期开工6年之久,不可避免的造成项目造价的膨胀。

  由美国卡内基科学基金会哈佛大学等发起的GMT计划,虽然发展包括澳大利亚和韩国机构的加盟,而且台址建设在智利也顺利启动,但磨制7面8.4米主镜的工程耗资过大,已几乎耗尽原项目预算。能否于2029年实现首光?还有极大的不确定因素。

美国天文十年规划呼之欲出,国家极大望远镜计划能否落地?

图4. 巨型麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope,GMT)是正在建造中的地基极大望远镜

  而于此同时,拥有17个成员国的E-ELT计划正在紧锣密鼓的推进,并预计2027年工程竣工。看来,人类极有可能在南半球智利,首先庆祝地基极大望远镜的竣工。

  无论如何,美国社会也强烈关注,在传统领先的天文优势领域,是否就此输掉这场科技竞赛?

  十年前,由于三十米望远镜TMT(口径30米)和巨麦哲伦GMT(24.5米)项目的激烈竞争,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,而且正因为这个原因,优先级被排在第三位。规划报告要求,国家基金会,要从TMT和GMT两个GSMT望远镜方案中,二择其一,在私人基金和国际伙伴资金的基础上,投入占比1/4的联邦资金,使美国大众天文学家,可以分享相应比例的望远镜机时。要知道美国TMT和GMT分别所代表的两大天文势力,有着上百年的竞争、对立的关系,他们也别发展了巨型望远镜的独家技术,让他们融合出一个方案几乎不可想象。

  在巨型望远镜时代,美国完全依仗私人资金的传统不可能延续。2018年前后,在NSF及其所属的、美国大学天文研究联盟(即AURA,其旗下管理运行国立光学天文台NOAO)的促成下、以及在所有国际伙伴成员的敦促下,TMT和GMT两大项目及其背后的加州理工学院和卡内基天文台,终于化解了百年恩怨,形式上联合起来,与升级NOAO组成光学红外国家实验室(NOIRLab),多措并举,形成了美国极大望远镜计划US-ELTP项目提案,提交Astro202l论证,以期通过业界的权威规划推荐,最终获得联邦基金的加持。

美国天文十年规划呼之欲出,国家极大望远镜计划能否落地?

图5. 美国国家基金会旗下,由全美大学天文研究联盟(公司)AURA管理的国立光学天文台NOAO系统,分布在美国亚利桑那、夏威夷和智利等天文台的4-8米光学-红外望远镜设施

  可想而知,US-ELTP提案,即使在前期私募和国际合作伙伴协议贡献的基础上,还将耗资20亿美元,除了空间项目不说,与此同时,地基射电、引力波等天文方向,也有呼声很高大项目,因此Astro2020的优先推荐次序,是US-ELTP能否最终落地的关键!

  TMT作为US-ELTP计划的核心组成,国家天文台所领导的中方团队已经有超过10年的研发投入。TMT经历了两个十年规划的“洗礼”,“时”和“势”都发生了巨变,科学和技术已经不再是科学大装置建设充分决定因素。科学与文化融合,充分尊重原住民权益的社会和解策略已经深入人心,加上复杂的国际局势,中方参与TMT计划的最终走向还要取决于中美双边政府的态度。无论如何,新一代极大望远镜建设,是关乎人类命运共同体事业的“星”征程,我们期待它能在中美双边踏实落地!

  作者简介:薛随建,国家天文台巡天观测和三十米望远镜研发团组首席研究员,TMT国际天文台执行理事,TMT中方项目经理。2013-2020期间担任国家天文台主管科研和国际合作事务的副台长。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
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