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12米望远镜为何这么“火”

2017-08-10 09:17 来源:科技日报

  中国参与的国际合作项目30米望远镜(TMT)示意图

国际著名光学望远镜的主镜尺寸比较。虚线所示的是多镜面的等效集光能力。

  3镜还是4镜?这两天,天文圈因为这个望远镜吵得不可开交……

  建设一个12米口径的光学红外望远镜,已被列入我国“十三五”规划,而且是优先布局的10个重大科技基础设施建设项目之一。但是这两天,天文圈却因为这个望远镜吵得不可开交。

  争论双方涉及3位中科院院士。国家天文台研究员陈建生院士在8月4日公开长信中“抖出”与中科院南京天文光学技术研究所研究员崔向群院士的分歧。后者在8月6日又与苏定强院士联名写公开信一一反驳。他们争论的核心是,这台12米口径望远镜应该采取什么样的技术方案。

  竟然在天文圈掀起这么大波澜,不用说,这不是一架普通的天文望远镜。

  我国急需“眼睛”更大的望远镜

  “目前我们国家天文研究的体量在国际上并不算小,但是比较尖端的、在国际上有竞争力的天文观测设备,并不是很多。”在中国科学院紫金山天文台研究员赵海斌看来,12米口径望远镜对国内天文学的发展意义非常。

  有人可能要问,我们已经建成了世界上独一无二的500米口径望远镜,为什么还要建12米口径望远镜?

  答案在于,位于贵州的500米口径望远镜是一架射电望远镜,而这架12米口径望远镜是一架光学望远镜。“它们观测的是完全不同的波段,产生各自波段的光的天体及物理机制一般也不一样。”中科院国家天文台在读博士刘博洋说,这意味着两种望远镜观测的是不同天体,或者从不同角度研究同一种天体。

  虽然已经拥有口径居世界第一的射电望远镜,但盘点国内光学望远镜的家底,却发现跟国际先进水平有很大差距。

  目前国内口径最大的光学望远镜是位于国家天文台兴隆基地的郭守敬望远镜(LAMOST),它是一台4—6米级的光谱巡天望远镜,但不具备成像观测能力。而国内具备成像观测能力的通用型望远镜,最大口径仍然只有2米级。这与世界先进水平差了不止一步,因为国际上8—10米级的望远镜已经有13架。

  “理论上讲,光学望远镜的口径越大,观测的精度和灵敏度就越好,因此可以观测到的信号也更遥远、更微弱,获得的天体图像质量也相对更好。”中科院国家天文台研究员张承民告诉科技日报记者,这样就有更多机会发现原来不知道的、隐藏在宇宙深处的天体。

  然而,为了进行比较前沿的天文研究,获得更加清晰的天体图像,国内天文工作者不得不去租用国外望远镜的观测时间,而且要支付昂贵的租金。

  “国外望远镜也不一定能租上,有时只能使用别人释放的二手数据。这些数据里的‘金矿’通常都被挖完了,只能挖掘剩下的。”刘博洋说,这样容易失去和国际一流天文学研究进行竞争的机会。

  12米,要通用而不要巡天

  如此一来,建造一架口径更大的光学红外望远镜,就成了迫在眉睫的事情。

  去年年底,《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》(以下简称《规划》)正式公布,其中大型光学红外望远镜被列入优先启动的10个项目。

  《规划》明确提出,建设一架12米级口径光学红外望远镜,具备多目标、暗天体高分辨成像和光谱观测的精测能力。这意味着,这架12米级口径光学红外望远镜将是一台通用型望远镜,而不是LAMOST那样的巡天望远镜。

  “巡天望远镜是粗略而广泛地去观测,观测的精度不高,但是可以比较高效地对大量天体进行‘普查’。”刘博洋介绍,而通用型望远镜一般是精测,分辨率和灵敏度都比较高,用巡天望远镜看到值得研究之处,可以再用通用型望远镜进行有针对性的深度观测。

  目前,国内已有、在建和“十二五”规划的大型光学望远镜均是巡天型望远镜。除了LAMOST,我国还计划于2022年发射口径为2米的中国空间站巡天望远镜。此外,中国南极昆仑站也将建造一台口径2.5米的巡天望远镜。这些巡天望远镜都需要大口径的精测型望远镜相配合。

  因此,将这架12米口径望远镜建造成通用型望远镜,没什么好说的。倒是它的口径大小的确定,确实经历了一番争论。

  “近年来国际上已经出现好几个建设30—40米级大型望远镜的方案。于是刚开始有人提出,国内应该直接建20米级望远镜。”刘博洋告诉记者,这种主张遭到很多人反对,反对者认为,国内在大型光学望远镜的建造上缺乏技术和人才积淀,在技术基础比较薄弱的情况下,直接挑战20米级望远镜,步子迈得太大。

  于是,经过长时间争论,建设12米口径光学望远镜的方案才最终敲定。虽然与20米级相比,12米口径望远镜属于折中方案,刘博洋认为,这丝毫没有减弱它的价值,因为国内天文界依然迫切需要这样一台大型望远镜。

  “设施建成后,可使我国光学极限探测能力处于国际领先行列,大幅提升天文观测重大发现的综合能力,同时为相关领域的前沿研究提供重要支撑,带动我国先进光学技术的创新发展。”对于12米口径光学望远镜的意义,《规划》如此描述。

  3镜还是4镜?这是一个问题

  在搞定一系列问题后,这架12米级光学望远镜又在技术方案上出现了磕绊。

  去年年底,大型光学红外望远镜前期工作组曾邀请国内外8家单位对12米口径望远镜进行设计,只有华中科技大学和中科院南京天文光学技术研究所提交了设计方案,一个是3镜方案,一个是4镜方案。3镜和4镜之争,由此正式形成。

  不可思议的是,中科院分别在今年4月和7月组织了国际专家评审和国内专家评审,结果3镜方案在胜出之后,突然又被4镜方案反转。

  3镜方案是国际上普遍采纳的方案,正如陈建生所言,“国际上已建成的超过10台10米级望远镜无一不是采用3镜系统”。而4镜方案则是“独树一帜”的,它比国际上经典的光学方案多了一块镜面。

  “两个方案各有优缺点。”刘博洋介绍,3镜方案的主要优势在于光损较少,更能探测暗弱天体,而且作为一种成熟的设计方案,设计、建造、运行的风险较小,比较稳妥。4镜方案的最大优势在于,通过增加一块改正镜,让望远镜的焦平面更平,与3镜方案相比,理论上能达到的像质更好。

  “大国政府出资建设的大科学工程必须有科学亮点和技术创新。”4镜方案的支持者提出,4镜方案不但可以满足一架通用望远镜的科学需求,而且有所创新,即使在30米级望远镜时代也有显著科学优势。

  但3镜方案支持者并不认同这种说法。“4镜系统获得好的设计像质是最大优势,但在地面观测受大气抖动影响的条件下,像质主要由地面视宁度决定,无论3镜和4镜都是一样的。”陈建生分析,4镜系统中最后一面反射镜中央要开一个洞,这会进一步损失光,可能会影响重要科学目标的实现。

  争议还在继续,而且吸引了越来越多的人加入。截至记者发稿,已有100多位青年天文工作者联名支持3镜方案。12米口径望远镜最终会选择哪种方案,将由时间来揭晓。

(责任编辑:王蔚)

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