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extremly(extremely的意思)
望远镜,宇宙,天文台extremly(extremely的意思)
发布时间:2020-12-06加入收藏来源:互联网点击:
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引言
千呼万唤始出来,面向2023-2032的美国天文和天体物理十年规划(Decadal Survey)Astro2020,终于在11月4日晚发布,备受关注的美国极大望远镜计划以最高优先级获得推荐实施。
美国极大望远镜计划(US-ELTP),由两大下一代30米级地基光学红外望远镜TMT(Thirty Meter Telescope, 简称TMT)、GMT(The Giant Magellan Telescope,简称GMT)以及美国自然科学基金委员会(NSF)旗下的国家光学红外实验室(NOIRLab)联合组建。自2009年以来,中方团队已与TMT开展了十余年的深入合作,我们期待US-ELTP立项能为TMT中美合作带来快速发展的良机,使得中国天文学家有机会与世界一起迈入三十米时代。
撰文 | 沈志侠、薛随建、冯麓(国家天文台)
责编 | 韩越扬、吕浩然
01 科学能力的指数增长望远镜是人类观察和认识宇宙的眼睛。上世纪90年代至今,以凯克(Keck Telescope)为代表的地基10米级光学望远镜取得了多项变革天文成果,使人类对宇宙的认知不断扩展疆域。
其中极具代表的有两项成果:其一,凯克以强大的集光光谱观测能力,协同哈勃空间望远镜,对遥远的超新星和宿主星系进行观测,助力Saul Perlmutter, Brian Schmidt和Adam Riess三位天文学家因对宇宙加速膨胀的发现而获得2011年诺贝尔物理学奖;其二,凯克不断改进其自适应光学近红外成像能力,助力加州大学女天文学家Andrea Ghez发现了银河中心所隐藏的超大质量黑洞,并与欧洲同行Reinhard Genzel分享了2020年诺贝尔物理学奖。
从10米口径的凯克到30米口径的TMT,其集光能力不仅仅是口径平方关系的传统进步,TMT一旦配备当今最先进的自适应光学系统,其空间分辨本领将达到30米口径的衍射极限,特定目标的观测效率将是凯克的百倍。如果凯克望远镜的成功早已令人印象深刻,那么30米级望远镜洞彻深邃宇宙的图景将更加令人兴奋。
那么,刚刚好30米口径的TMT将会在哪些方面的突破呢?
01
探测宇宙第一代天体
宇宙诞生大约38万年后(约红移1100),经历了一个膨胀冷却,基本粒子复合后形成的、主要以中氢原子为物质组分的漫长的“暗黑时代”(Dark Age),这个时代以发光天体形成,宇宙逐渐走向“光明”而结束。那么,究竟第一代发光天体何时形成?甚至第一代发光天体是什么?宇宙如何走向“光明”都是天文学家迫不及待要回答的问题。国际平方公里阵SKA、即将发射的詹姆斯韦伯空间望远镜都在试图利用不同的手段、探测宇宙从“暗黑”走向“光明”的特殊纪元。
30米望远镜将在光学和红外波段,更深地回溯宇宙时空,观测宇宙的第一代天体诞生,并层析早期和遥远星系结构,了解宇宙的形成和演化。假如现在的宇宙是个青壮年,借助强大的望远镜我们可以看到它的婴幼儿时期,并了解其一步步成长的过程。
从5米到30米,更大的望远镜可以回溯更深的时空。图中P200为5米海尔望远镜,Keck为10米望远镜,TMT为30米望远镜。图片来源:TMT Project Office
02
揭示银河系中心的超大质量黑洞
天文学家推测,几乎每个星系中心都存在超大质量黑洞,银河系中心也不例外。为了证实这一点,天文学家利用凯克望远镜和甚大望远镜,分辨出银河系中心附近的数十颗恒星,共同围绕着一个看不见的天体高速运动,并测出其质量约是太阳的415万倍。恒星与这个天体的最近距离不过与太阳系半径相当,如此致密的天体只可能是黑洞。黑洞的引力如此强大,因而能够清晰观测到恒星轨道近心点的施瓦西进动和引力红移,验证了广义相对论的预言。
拥有更高灵敏度和分辨率的30米级望远镜,将能够观测到大量更暗、距离黑洞更近的恒星。通过研究这些恒星的轨道,我们能够进一步探索黑洞视界附近更极端的引力场,精确检验广义相对论理论,甚至发现新的物理。
上图:银河系中心黑洞附近恒星运动轨迹观测动画。下图:10米Keck望远镜+当前自适应光学系统、Keck+下一代自适应光学系统,与TMT+自适应光学的对比。动画与图片来自UCLA Galactic Center Group。
03
刻划系外行星大气特征
太阳系之外是否还存在如同地球这样的行星?宇宙的其他地方是否存在生命?系外行星的发现速度堪称飞快,而今已在3300多个系统中发现了4500多颗行星(另有近8000颗候选行星等待确认),其中更有160多颗“类地行星”。
随着越来越多系外行星的发现,借助30米级望远镜,天文学家们的研究焦点将从探测发现转为其大气特研究。如果其他行星也存在如地球一样适宜生命生存的环境,那么浩瀚的宇宙中应该存在其他生命。尽管直接探测外星生命的难度极大,但TMT将能够对处于宜居带的类地行星进行直接成像,并获取其大气反射宿主恒星的光谱,研究其大气的化学成分,以判断该行星是否有利于我们已知的生命形态存在。
04
暗物质和暗能量
现代天文观测揭示出,暗能量主导了宇宙加速膨胀,暗物质使得星系快速转动。肉眼可见的日月星辰,所有发光或有电磁辐射效应的物质只占宇宙物质构成5%不到。这种“奇怪”的宇宙组分是长期以来笼罩现代物理学的“两朵乌云”。
TMT在空间分辨率方面量级的提高,可望通过强引力透镜事例的精细观测,来揭示暗物质质量分布的细节,有效约束暗物质的“冷热”物理属;此外,TMT的集光本领还可以通过观测遥远的超新星及其宿主星系(红移4范围以内)的光谱,以了解暗能量在更大的时间范围里,如何主导宇宙结构的演化。
总之,TMT和其他30米级望远镜,做为精细观察宇宙的强大利器,几乎在所有的天文前沿领域,都有望为人类的认知带来划时代的变革。
02 30米俱乐部建造中的下一代地基天文光学-红外望远镜共有三台,分别为:25米的巨型麦哲伦望远镜GMT、30米望远镜TMT和39米的欧洲极大望远镜(the European Extremely Large Telescope,简称E-ELT )。
GMT(上,space.com)、TMT(中,IPAC)和E-ELT(下,Wikipedia)模拟图
E-ELT在三者之中口径最大,39米的主镜由798面1.44米六角形子镜拼接而成,以欧洲为主的多国天文学家联合组建的欧洲南方天文台负责承建。E-ELT已于2017年在南半球的智利赛鲁阿玛逊斯山(Cerro Amazones)开工建设,计划于2028年首光。
TMT是最早提出的一台30米级望远镜,30米的主镜由492块1.44米六角形子镜拼接而成。TMT国际建设伙伴包括美国加州大学、加州理工学院、日本国立天文台、中国科学院国家天文台、印度科技部和加拿大国家研究委员会。TMT也是三者中唯一一台计划建于北半球的旗舰级装置,不幸的是由于当地原住民的反对,数年来多次试图在夏威夷莫纳克亚山(Mauna Kea)启动的建设活动被迫中断,显著推迟了TMT的进度。。
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