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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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