□ 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(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

天文學(xué)正處在一個黃金時期。在過去的半個世紀(jì)里，天文學(xué)家借助口徑不斷擴大、設(shè)計愈發(fā)精密的新一代望遠(yuǎn)鏡和其他設(shè)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(yuǎn)鏡的投入使用，我們對宇宙的認(rèn)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(dǎo)的宇宙。隨著認(rèn)識的進步，全新的、也更加基礎(chǔ)性的問題擺在了科學(xué)家面前。

在上一代望遠(yuǎn)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(guān)于新一代望遠(yuǎn)鏡的計劃也正在醞釀當(dāng)中。如果不成倍地增加望遠(yuǎn)鏡的口徑，那么這些新出現(xiàn)的基礎(chǔ)性難題就無法得到解決。好在，技術(shù)的發(fā)展正允許望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡已在工程建造能力之內(nèi)，而借助這些新生代望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家將有能力應(yīng)對下一代科學(xué)問題。這些望遠(yuǎn)鏡口徑巨大，能夠收集到遙遠(yuǎn)的天體在130億年前發(fā)出的光。也就是說，通過它們，天文學(xué)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(yīng)對上述新問題、正在籌建的下一代“極大望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡”（European Extremely Large Telescope，E-ELT），臺址設(shè)在智利；與之抗衡的，是由美國提出的“巨麥哲倫望遠(yuǎn)鏡”（Giant Magellan Telescope，GMT）；第三個，也是中國天文學(xué)家最為關(guān)心的，是“三十米望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(dá)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(yuǎn)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(dāng)?shù)厝撕腿?nèi)人俗稱的“大島”）的建設(shè)工作即將開始，望遠(yuǎn)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(shè)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(xué)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(xué)天文研究聯(lián)盟、美國加州理工學(xué)院、美國加州大學(xué)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(xué)院、中國科學(xué)院國家天文臺（NAOC）、日本國家自然科學(xué)研究所和美國加州大學(xué)。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(yuǎn)鏡的設(shè)計工作，同時，我們也與當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)合作，我們在工作中盡量不冒犯當(dāng)?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(shè)我們的下一代望遠(yuǎn)鏡，是十分榮幸和幸運的。

不過，將TMT臺址設(shè)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(rèn)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(rèn)為，建造望遠(yuǎn)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(lǐng)導(dǎo)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(dān)了能夠360度轉(zhuǎn)向的TMT第三鏡，即科學(xué)轉(zhuǎn)向鏡系統(tǒng)的設(shè)計工作，以及激光導(dǎo)星系統(tǒng)和其他一些高科技部件的研發(fā)。……我們相信，加入TMT將為中國天文界做出重大發(fā)現(xiàn)、進行科學(xué)前沿研究和發(fā)展先進技術(shù)提供不可或缺的機會。中國科學(xué)院國家天文臺臺長嚴(yán)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(yuǎn)鏡的主鏡。整個望遠(yuǎn)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(fù)責(zé)人、日本國立天文臺天文學(xué)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(xué)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(yuǎn)鏡的很多核心部件也已造出了樣品，包括“自適應(yīng)光學(xué)”技術(shù)（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(xué)家來說是十分振奮的。 美國印第安納大學(xué)天文學(xué)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(xué)工作令人嘆為觀止，它將帶領(lǐng)所有天文學(xué)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(xué)望遠(yuǎn)鏡。這架革命性的望遠(yuǎn)鏡整合了目前精密控制、拼接鏡面設(shè)計、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)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(shù)，不過這次的口徑高達(dá)30米，相當(dāng)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(xué)望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡正式開工。阿塔卡馬沙漠氣候干燥而寒冷，遠(yuǎn)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(xué)目標(biāo)也與TMT大同小異：為天文學(xué)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(fù)責(zé)人費爾南多·科莫隆（Fernando 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(shè)估計需要10年左右，望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的地基。

不過，不同國家聯(lián)盟間為“最大”望遠(yuǎn)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(zhǔn)幾臺巨型望遠(yuǎn)鏡的計劃，以對整個天空進行觀測。夏威夷大學(xué)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(shè)在南半球智利的GMT和E-ELT望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡，天文學(xué)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(xué)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(yuǎn)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(lǐng)域中有兩個我都能有所貢獻，這是非常令人興奮的。——現(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(biāo)了！

這些極大望遠(yuǎn)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(xué)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(dāng)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(yuǎn)的星團中恒星的年齡結(jié)構(gòu)，天文學(xué)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(shù)語說，就是希望觀測的分辨率能夠達(dá)到“衍射極限”。為了達(dá)到這個目的，天才的望遠(yuǎn)鏡工程師們研發(fā)了“自適應(yīng)光學(xué)”的技術(shù)。

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(dǎo)星”，然后通過觀測這顆激光導(dǎo)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(yuǎn)鏡的觀測能力都極大地依賴于其自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的有效性。對遙遠(yuǎn)星團的研究將是未來30米級望遠(yuǎn)鏡能夠大展身手的地方，因為哈勃望遠(yuǎn)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(guān)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(guān)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(xué)平衡系統(tǒng)的。

與現(xiàn)在的10米級望遠(yuǎn)鏡相比，30米級望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(xué)目標(biāo)，就是探測宇宙早期的整體演化。憑借望遠(yuǎn)鏡巨大的口徑，TMT能夠在天文學(xué)的各個領(lǐng)域進行宇宙學(xué)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(xué)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(xué)距離上的遙遠(yuǎn)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(xué)的一次重大進步。

回到我自己在北京大學(xué)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(lǐng)域中的一系列關(guān)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(dǎo)星的TMT（圖片來自：http://www.tmt.org）