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30米的“大眼睛”,可以看到什么?

|· 本文来自“我是科学家”·|

我们的祖先第一次仰望星空的时候,一定惊讶于星空的绚丽,否则他们的后代不会执着于要去揭开星空的秘密。然而,肉眼的视野毕竟有限。1609年伽利略把望远镜对准木星,从此我们才能望向宇宙深处。所以我们可以说,望远镜是我们观察宇宙的“大眼睛”,现代天文学研究更是离不开各类先进的望远镜。

就在10月30日,美国夏威夷州最高法院的一项裁决让不少天文学家悬了几年的心暂时落了地。法官们以4:1的投票结果批准了三十米望远镜(Thirty Meter Telescope,TMT)的建设用地许可[1]

三十米望远镜(TMT)的艺术概念图。图片来源:TMT官网www.tmt.org

细数现在世界上大大小小的望远镜也不少了,为什么天文学家还要费尽心力,甚至不惜闹到法院,也要坚持建设这个直径三十米的“大眼睛”呢?

三十米口径:尺寸够大

镜面面积是望远镜的一个关键指标。一般来说,镜面越大,收集信号的能力就越强。太空望远镜因为观测不受地球大气的影响,所以受到天文学家的青睐,比如很多人熟悉的太空图片都是由哈勃太空望远镜拍摄的。

但是,受火箭尺寸和发射重量等因素的限制,太空望远镜的体积不能太大,因此镜面面积要比地基望远镜小得多,例如哈勃太空望远镜的镜面直径只有2.4米,而计划于2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜直径为6.5米。与此相比,地基望远镜的镜面面积普遍要大不少,例如欧洲南方天文台在1998年建成的甚大望远镜(Very Large Telescope)的主镜直径就达到8.2米。所以在发展太空望远镜的同时,天文学家也在积极研发地基望远镜。

受制于技术和资金等因素,地基望远镜也不是想建多大就能建多大。但是,天文学家又日益感受到现有望远镜口径不足带来的问题。以系外行星为例,因为离地球太远又太暗,目前的地基望远镜很难对它们进行观测。在开普勒太空望远镜退役之后,如果有大口径的地基望远镜与“苔丝”(TESS)相配合,那我们搜寻“第二个地球”的脚步也许会快得多。

正在使用中的口径最大的望远镜是位于美国夏威夷莫纳克亚山(Mauna Kea)山顶的两台凯克天文台望远镜(Keck I and II telescopes),镜面直径都是10米[2]。因此一旦TMT建成,集光能力将达到凯克望远镜的9倍。正因为如此,天文学家才满心期待TMT能早日建成。

TMT的各项参数。尺寸:直径30米;总集光面积:655平方米;分辨率:哈勃太空望远镜的12倍;镜面:由492块反射镜片组成。图片来源:TMT官网www.tmt.org

莫纳克亚山:位置最佳

TMT听起来确实不错,但是世界这么大,天文学家为什么偏要选和凯克天文台一样的台址来建设这台望远镜呢?

答案是,莫纳克亚山简直是为天文观测量身打造的观测地点。它位于美国夏威夷州的夏威夷岛(也称大岛,Big Island)上,海拔4207米,是夏威夷第一高峰。同时,由于山体有超过6000米位于海平面以下,加起来的整体高度超过10000米,大于珠穆朗玛峰在海平面上的高度,所以莫纳克亚山是世界上总高度最高的山[3]

莫纳克亚山的位置。图片来源:Wikimedia Commons

莫纳克亚山适于进行天文观测主要有几个原因。首先山顶海拔高,位于逆温层之上,因此山顶无云,空气干燥,可以大大降低大气中的水汽对望远镜观测的影响。此外,山顶的大气非常稳定,没有湍流,具有世界上最好的视宁度,也就是能够提供最好的望远镜图像清晰度。同时莫纳克亚山远离城市,那里的暗夜受到法律的保护,因此能把光污染降低到最小程度,便于望远镜观察遥远的暗天体[4]

正是因为有这么好的条件,莫纳克亚山成为天文学家心目中的圣地。目前,在莫纳克亚山顶有十几台观测设备正在工作。这里还是国际合作的平台,日本、英国、加拿大、法国、澳大利亚等国都在山顶独立或者合作建立了观测设施。

莫纳克亚山上的观测设备,从左至右分别为昴星团望远镜(Subaru Telescope)、凯克天文台的两台望远镜和美国国家航空航天局红外望远镜设备(NASA IRTF)。图片来源:Bob Linsdell丨Wikimedia Commons

TMT在选址之初,曾有多个候选地点,后来项目委员会从中选择了2个,南北两个半球各1个:北半球选在莫纳克亚山,南半球选在智利的阿塔卡玛沙漠。考虑到欧洲南方天文台正在智利建造ELT,如果TMT也选择在智利建造的话,那么有很多目标两台望远镜都无法观测。综合资金和其他因素,TMT最终在2013年选址在夏威夷。

抗议声不断:建成不易

2013年选址完成后,2014年TMT就已经得到了夏威夷州土地与自然资源部的许可并在莫纳克亚山破土动工。然而,到了2015年,由于遭到部分夏威夷原住民的强烈反对,夏威夷州最高法院撤销了施工许可。当时,甚至有原住民因为阻止施工而被逮捕[5]

2015年4月,部分夏威夷原住民抗议在莫纳克亚山修建TMT。图片来源:Hollyn Johnson/Hawaii Tribune-Herald

既然莫纳克亚山这么适合天文观测,又已经有这么多的观测设施建在那里,怎么TMT就这么一波三折呢?

其实,自20世纪60年代莫纳克亚山上第一次出现望远镜以来,就有不少反对在莫纳克亚山建设望远镜的声音。一些环保组织担心天文台会破坏山顶脆弱的生态环境,威胁到一些濒危物种的生存。当地原住民则认为莫纳克亚山是夏威夷人的神山,山顶的建设破坏了当地人的信仰和文化。这些年来,虽然在莫纳克亚山上陆续建立了一系列的天文台,但是来自环保组织和当地原住民的抗议始终没有停止过[6,7]

这一次夏威夷州最高法院的裁决在法律上保证了计划得以继续实施,除非美国联邦最高法院接管这一案件。不过,虽然TMT项目可以重新启动,却仍需要提交建设方案以供评估,而这一过程可能会长达2年。只有这个方案得到批准,施工才能继续进行。此外,法院的许可还包含了很多附加条款,比如天文台对员工进行文化培训,同时拆除目前山顶上的部分望远镜等[1]

因此,天文学家只能暂时乐观起来,有了前车之鉴,未来他们还需要谨慎对待建设过程中的每一个细节。原定于2022年投入使用的TMT已经被推迟到大概2027年才能建成,所以天文学家也不得不调整建设和研究计划。

TMT的研究对象包括星系、黑洞、恒星和行星。图片来源:TMT官网www.tmt.org

不过,他们始终希望TMT在建成后能在多个领域内取得突破,其中包括宇宙中最早的恒星和星系的形成、宇宙大尺度结构的演化、星系中心黑洞的性质以及系外行星是否存在生命等课题。当然,最激动人心的也许是TMT和它的很多“前辈”一样,出人意料地发现我们现在根本不知道的研究对象,从而拓宽我们望向宇宙的视野[7]。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. https://www.hawaiinewsnow.com/2018/10/30/state-supreme-court-rules-favor-thirty-meter-telescopes-construction/
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/W._M._Keck_Observatory
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Mauna_Kea
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Mauna_Kea_Observatories
  5. https://www.nature.com/news/hawaiian-telescope-project-seeks-way-forward-amid-protests-1.17396
  6. https://en.wikipedia.org/wiki/Opposition_to_the_Mauna_Kea_Observatories
  7. https://en.wikipedia.org/wiki/Thirty_Meter_Telescope
  8. https://www.tmt.org/page/about#what-will-tmt-explore

作者名片

The End

发布于2018-11-16, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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鞠强

英国杜伦大学粒子物理与宇宙学硕士

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