三十米望遠(yuǎn)鏡（TMT）： 深入前所未見(jiàn)的宇宙日期：2011-06-08 作者：杰里·納爾遜 來(lái)源：文匯報(bào) | |||||
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“我們知道的越多，宇宙就變得越神秘，需要人類更多的創(chuàng)造力邁向下一步。” ——杰里·納爾遜（美國(guó)加州大學(xué)圣克魯茲分校TMT項(xiàng)目科學(xué)家） 在伽利略用自制的望遠(yuǎn)鏡徹底變革了人類對(duì)宇宙的觀念之后400年，一架正在建造的巨型望遠(yuǎn)鏡將會(huì)為人類帶來(lái)更多有關(guān)宇宙的更新、更深層的認(rèn)識(shí)。 新天文學(xué) 一旦建成，這架新的望遠(yuǎn)鏡將使得天文學(xué)家能比過(guò)去更清晰地看到暗弱的天體。它將能夠識(shí)別出即便在今天的哈勃極深場(chǎng)中看上去仍很模糊的極為遙遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)。然而至今還沒(méi)有人知道這些天體到底是什么。這一新的分辨能力將加大對(duì)太陽(yáng)系外行星的搜尋和探測(cè)，同時(shí)還能惠及對(duì)宇宙中第一代星系的研究。 截止2011年5月20日，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了551個(gè)太陽(yáng)系外行星的候選者，其中還有超過(guò)200個(gè)的行星系統(tǒng)。這些發(fā)現(xiàn)中的大部分是通過(guò)光譜探測(cè)行星對(duì)其宿主恒星在觀測(cè)者視線方向上的引力攝動(dòng)而被發(fā)現(xiàn)的，這一手段被稱為視向速度方法。TMT的視向速度巡天所能覆蓋的恒星數(shù)量將比眼下的多出30倍。目前這一方法主要適用于搜尋極為靠近宿主恒星的熱類木星。但如果要找到位于低溫矮星周圍宜居帶（恒星周圍可以有液態(tài)水存在的區(qū)域）中的巖質(zhì)類地行星，現(xiàn)有視向速度方法的靈敏度還需要提高至少10倍。 為此，目前世界上最大的凱克天文臺(tái)的兩架望遠(yuǎn)鏡需要1～3個(gè)小時(shí)才能得到可信的視向速度數(shù)據(jù)，這大大限制了觀測(cè)的效率。考慮到行星系統(tǒng)的多樣性，必須要對(duì)數(shù)百顆恒星進(jìn)行觀測(cè)之后方能真正得到近距巖質(zhì)外星行星的可靠比例。TMT在這方面的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)了出來(lái)。它比“凱克”強(qiáng)大9倍的集光能力使得它能把每次視向速度觀測(cè)所需的時(shí)間相應(yīng)縮短到只有幾分鐘。這使得它可以在一年里觀測(cè)數(shù)千個(gè)外星行星候選體。 除了視向速度觀測(cè)之外，TMT還將使得人類第一次能經(jīng)常性地對(duì)外星行星進(jìn)行直接成像觀測(cè)，收集它們大氣活動(dòng)和化學(xué)性質(zhì)的信息。通過(guò)星冕儀和高精度天體測(cè)量技術(shù)，TMT可以探測(cè)距離宿主恒星相對(duì)較遠(yuǎn)的年輕高溫類木行星。來(lái)自遙遠(yuǎn)行星系統(tǒng)的星光包含了行星及其宿主恒星的輻射。從地球上看，當(dāng)行星從恒星前方經(jīng)過(guò)時(shí)，恒星所發(fā)出光中的一部分會(huì)穿過(guò)行星的大氣。于是，由行星大氣分子所造成的吸收特征就會(huì)在恒星的光譜中顯現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)這些光譜就能測(cè)定出外星行星的大氣成分。TMT除了將幫助我們確定銀河系中類似地球這樣的行星究竟有多罕見(jiàn)之外，還能幫助推斷出在銀河系的其他地方是否也存在類似地球上的生命。 新的TMT將會(huì)看到之前任何一架望遠(yuǎn)鏡都無(wú)法看到的早期宇宙，直達(dá)宇宙“黑暗時(shí)代”之后第一代恒星和星系的形成時(shí)期，直擊宇宙中的“第一縷光”。有理論認(rèn)為，在大爆炸的光輝褪去之后，宇宙進(jìn)入了一個(gè)長(zhǎng)期的“黑暗時(shí)代”。最終，低溫物質(zhì)聚集坍縮，形成了第一代恒星和星系，出現(xiàn)了第一縷光。 第一代星系中包含有從原初氣體中形成的第一代大質(zhì)量恒星。這些星族Ⅲ恒星會(huì)以超新星爆發(fā)的形式為宇宙制造出第一批重元素。作為大質(zhì)量的熱源，它們會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，電離周圍的原初氦。這些氣體所產(chǎn)生的特征發(fā)射線可以作為這些第一代恒星的示蹤器。TMT可以看到紅移達(dá)14的星系中的這些譜線，驗(yàn)證先前根據(jù)微波背景輻射偏振所做出的星族Ⅲ恒星的紅移在7到20之間的預(yù)言。這將為早期星系的演化提供一個(gè)新的重要的限制。 此外，在黑暗時(shí)代中，引力開(kāi)始把暗物質(zhì)聚集成團(tuán)，構(gòu)建宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的架構(gòu)。中性氫和氦原子會(huì)被暗物質(zhì)吸引，在密度最高的區(qū)域積聚。不過(guò)這一原初引力成團(tuán)的細(xì)節(jié)目前還鮮為人知，我們不知道是單顆恒星還是巨型黑洞先形成。恒星和黑洞都會(huì)產(chǎn)生高能光子。高溫、明亮的恒星會(huì)輻射出巨量的紫外線。在吸積盤中落向黑洞的物質(zhì)其溫度會(huì)高到足以產(chǎn)生X射線。沒(méi)有人知道，哪類天體率先開(kāi)始發(fā)出明亮的輻射，但有一件事情是肯定的：在幾億年之后，宇宙的燈光被點(diǎn)亮了。對(duì)于這些問(wèn)題，TMT興許可以為我們提供一些線索。 為了攻克這些未知，TMT必須要有遠(yuǎn)超目前最大望遠(yuǎn)鏡的鏡面來(lái)收集來(lái)自宇宙邊緣的微弱信息。但建造直徑30米的望遠(yuǎn)鏡主鏡絕非易事！ 化整為零 20世紀(jì)70年代末，天文學(xué)家們遇到了一個(gè)問(wèn)題：天文望遠(yuǎn)鏡的尺寸已經(jīng)不再能滿足他們的要求。為了能更深入宇宙的過(guò)去，他們需要更大的望遠(yuǎn)鏡。為了建造更大的望遠(yuǎn)鏡，就需要更大的鏡面，但是直徑大于5米的鏡面會(huì)由于形變而產(chǎn)生扭曲的圖像，使得超越1948年建造的5米海爾望遠(yuǎn)鏡的夢(mèng)想始終未能如愿。 “許多人曾經(jīng)認(rèn)為它是能建造的最大望遠(yuǎn)鏡，”美國(guó)加州大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)麥克·博爾特說(shuō)。當(dāng)蘇聯(lián)人在1976年用老方法建造了一臺(tái)6米的望遠(yuǎn)鏡后，它只能給出糟糕的扭曲圖像。全世界的科學(xué)家都意識(shí)到必須要有新的設(shè)計(jì)方案。 最終找到破解這一關(guān)鍵問(wèn)題辦法的是一名誰(shuí)也沒(méi)有想到的物理學(xué)家，他就是當(dāng)時(shí)在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的納爾遜。“在演講時(shí)，他平淡的風(fēng)格會(huì)讓你覺(jué)得他正在討論推銷一種新的市政下水道合同，而不是世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，”美國(guó)《洛杉磯時(shí)報(bào)》評(píng)論到，“然而他是一個(gè)不屈不撓且有能力的科學(xué)家，擁有巧妙解決意料之外問(wèn)題的天賦。” 他設(shè)計(jì)出的巧妙解決方案是做36塊小鏡面，然后像蜂巢一樣把它們拼接到一起。這就是位于美國(guó)夏威夷的兩架10米凱克望遠(yuǎn)鏡的建造基礎(chǔ)。“每個(gè)人都認(rèn)為這風(fēng)險(xiǎn)極大，引發(fā)了一場(chǎng)大爭(zhēng)論。沒(méi)有人相信它會(huì)成功，”博爾特說(shuō)。但納爾遜做到了。 在過(guò)去的100年里，望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)分成了兩個(gè)鮮明的階段。首先，天文學(xué)家從使用透鏡的折射望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向了使用鏡面的反射望遠(yuǎn)鏡。1908年美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)的1.5米望遠(yuǎn)鏡拉開(kāi)了這一階段的序幕，隨后是1917年2.5米的胡克望遠(yuǎn)鏡和1948年在美國(guó)帕洛瑪天文臺(tái)的海爾望遠(yuǎn)鏡。而“凱克”則開(kāi)啟了通過(guò)拼接鏡面建造望遠(yuǎn)鏡的下一個(gè)時(shí)期。美國(guó)加州大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家桑迪·費(fèi)伯因此把納爾遜稱為“現(xiàn)代伽利略”。 實(shí)際上，納爾遜的方法和其他拼接鏡面設(shè)計(jì)已經(jīng)被證明極具可行性和靈活性，TMT也將使用相同的技術(shù)。TMT反射鏡所用的拼接鏡面數(shù)比“凱克”的高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到492塊，通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)制導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)讓它們以一個(gè)整體運(yùn)轉(zhuǎn)。 然而，即便望遠(yuǎn)鏡主鏡面的問(wèn)題已經(jīng)解決，但它仍要克服一個(gè)所有的地面望遠(yuǎn)鏡都要面對(duì)的難題——大氣的湍動(dòng)。 隨氣而動(dòng) 400年前當(dāng)伽利略用他的望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星時(shí)，他幾乎不可能想到這些小望遠(yuǎn)鏡的后裔居然可以窺視宇宙的邊緣。伽利略手工制造的望遠(yuǎn)鏡的口徑只有4.4厘米而且透鏡的質(zhì)量很差，無(wú)法分辨小于10角秒的細(xì)節(jié)——相當(dāng)于看300米外的一枚銀幣。因此，伽利略無(wú)法分辨出土星的光環(huán)。 如果伽利略望遠(yuǎn)鏡透鏡的質(zhì)量十分好的話，它的分辨率可以達(dá)到3角秒——4.4厘米透鏡的理論分辨率。一架望遠(yuǎn)鏡的分辨率反比于它的口徑，因此一架13厘米的望遠(yuǎn)鏡的分辨率是1角秒，而1.3米的則為0.1角秒。TMT主鏡30米的直徑使它的分辨率可以達(dá)到0.005個(gè)角秒。 如果TMT在地球軌道或是月球軌道上，那么這是可能的。但是正如許多用過(guò)望遠(yuǎn)鏡的人所知道的，地球大氣會(huì)嚴(yán)重影響高放大倍率下所成的像。大氣湍流會(huì)讓影像變得模糊，因此無(wú)論口徑有多大，沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡的分辨率可以達(dá)到0.5角秒以上，甚至在山頂這種視寧度極好的地方也是如此。從分辨率的角度來(lái)說(shuō)，世界上最大的望遠(yuǎn)鏡不比天文愛(ài)好者手中的幾十厘米望遠(yuǎn)鏡好到哪兒去。 但是現(xiàn)在不同了。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)每時(shí)每刻地修正大氣擾動(dòng)所造成的圖像畸變，使得星像還原到近乎可以達(dá)到衍射極限的完美程度。那自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是如何工作的呢？其基本原理相當(dāng)簡(jiǎn)單。如果你知道大氣是如何干擾星光的話，你就可以將其校正過(guò)來(lái)。 換句話說(shuō)，你每時(shí)每刻都必須測(cè)量并且修正大氣所造成的星像扭曲效應(yīng)。這一扭曲效應(yīng)源自于湍流空氣胞之間的微小溫度差，這些空氣胞的大小從幾個(gè)厘米到幾米不等。湍流空氣胞會(huì)從不同的方向、不同的高度高速經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡的上空。每一個(gè)湍流空氣胞就像是一個(gè)小透鏡，會(huì)稍稍改變光的路徑。其典型的結(jié)果就是一個(gè)模糊而且一秒鐘內(nèi)顫動(dòng)數(shù)百次的影像。 為了使光線重回正途，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)必須要做兩件事：在每一個(gè)瞬間測(cè)量出所有的影像畸變，然后通過(guò)望遠(yuǎn)鏡光路上的器件來(lái)校正這些畸變。 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)幫助TMT實(shí)現(xiàn)看得更深的目標(biāo)。它會(huì)使用鈉激光產(chǎn)生的人造引導(dǎo)星來(lái)探測(cè)氣流的狀況，并把大氣湍流的信息傳遞給小型的彈性鏡面，后者會(huì)實(shí)時(shí)地改正大氣的顫動(dòng)。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的效果就像是為模糊的視力配一副眼鏡——最終的結(jié)果是獲得更為銳利的影像。 不過(guò)對(duì)于TMT而言，傳統(tǒng)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)并不能簡(jiǎn)單地照搬到它身上。如果你把TMT對(duì)準(zhǔn)了一個(gè)星系，來(lái)自星系的光會(huì)穿過(guò)直徑30米的圓柱形空氣柱。然而，來(lái)自引導(dǎo)星的星光僅僅位于90公里的高空，無(wú)法貫穿整個(gè)空氣柱。 相反，它僅能覆蓋底面直徑為30米的圓錐形區(qū)域。因此，圓柱里、圓錐外的湍流空氣就無(wú)法被測(cè)量，所以星系的影像不會(huì)完全得到修正。新的多重共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)將通過(guò)使用多重引導(dǎo)星、波前傳感器和彈性鏡面來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。它同時(shí)也克服了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)大小的限制。 沒(méi)有自適應(yīng)光學(xué)，地面望遠(yuǎn)鏡根本無(wú)法和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡這樣的空間望遠(yuǎn)鏡相比。納爾遜把這一關(guān)鍵技術(shù)比喻為“望遠(yuǎn)鏡的心臟和靈魂”。 在上個(gè)世紀(jì)，望遠(yuǎn)鏡每30年大小就會(huì)翻倍。在不太遙遠(yuǎn)的未來(lái)，納爾遜預(yù)言我們還會(huì)看到50米和100米望遠(yuǎn)鏡。但這并不意味著這些望遠(yuǎn)鏡容易實(shí)現(xiàn)。預(yù)計(jì)10億美元的成本使得TMT必須尋求國(guó)際合作，包括美國(guó)、加拿大、日本和中國(guó)。進(jìn)一步的經(jīng)費(fèi)則會(huì)來(lái)自私人基金。 “TMT將要做出的發(fā)現(xiàn)會(huì)增加我們對(duì)能力更強(qiáng)大、更大望遠(yuǎn)鏡的渴望，”納爾遜說(shuō)，“因此只要我們保留好奇心并且擁有建造這些設(shè)備的資金，我認(rèn)為我們會(huì)見(jiàn)到更巨大的東西。”
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