世界最大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡
全球最大的天文望遠(yuǎn)鏡之一TMT，于2011年在美國夏威夷莫納克亞山(MaunaKea)開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2018年建成投入使用，項(xiàng)目概算約為10億美元，美國、加拿大、日本等多個(gè)國家正式加入其中，中國和印度以觀察員身份參與。
TMT望遠(yuǎn)鏡是新一代地基巨型光學(xué)/紅外天文觀測設(shè)備，集光口徑為30米，工作在0.31-28納米波段。因此，TMT集成了當(dāng)代大口徑望遠(yuǎn)鏡最頂尖的高新技術(shù)。
記者了解到，除了資金參與，中國在鏡面、自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備以及其他機(jī)械設(shè)備等方面，都將參與這項(xiàng)計(jì)劃。國家天文臺(tái)南京天光所，聯(lián)合中科院長春光機(jī)所、光電所、理化所等單位，開展了該計(jì)劃中的多項(xiàng)核心技術(shù)的研發(fā)。
中科院國家天文臺(tái)臺(tái)長助理、TMT項(xiàng)目部經(jīng)理薛隨建介紹，國家天文臺(tái)聯(lián)合中科院有關(guān)院所承擔(dān)了TMT主光學(xué)系統(tǒng)、激光引導(dǎo)星系統(tǒng)、激光器系統(tǒng)等多項(xiàng)核心技術(shù)研發(fā)工作，為這個(gè)項(xiàng)目的推進(jìn)作出了重要貢獻(xiàn)。
TMT主鏡拼接精度要求極高，需達(dá)到光照上去看不到接縫的程度。中國通過2008年完成的LAMOST望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，對(duì)此已有技術(shù)儲(chǔ)備。因此，國家天文臺(tái)南京天光所主要負(fù)責(zé)TMT主鏡子鏡單元高精度磨制技術(shù)的研發(fā)，以及部分子鏡的加工任務(wù)。同時(shí)，國家天文臺(tái)南京天光所還參與了TMT“首光”科學(xué)儀器的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。因?yàn)樵赥MT開始科學(xué)觀測的初期，將先安裝3臺(tái)“首光”設(shè)備，包括紅外成像攝譜儀、紅外多目標(biāo)攝譜儀和寬視場光學(xué)攝譜儀。這些設(shè)備能充分利用TMT的高靈敏度及高分辨率，提供前所未有的成像能力。
另外，TMT的光路結(jié)構(gòu)極具特色——來自遙遠(yuǎn)天體的星光先被具有主動(dòng)光學(xué)功能的主鏡收集，匯聚到副鏡，再反射到可以360度轉(zhuǎn)動(dòng)的第三鏡，最后被送入裝有自適應(yīng)光學(xué)矯正系統(tǒng)的科學(xué)儀器中。這種特殊的結(jié)構(gòu)使TMT在持續(xù)觀測、切換設(shè)備、更換子系統(tǒng)時(shí)更方便，幫助天文學(xué)家在更短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多不同類型的觀測。中科院長春光機(jī)所則主要負(fù)責(zé)TMT第三鏡及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造工作。而起著主要傳輸作用的第三鏡，在光學(xué)精度、機(jī)械精度等方面均面臨世界級(jí)挑戰(zhàn)。
因?yàn)榇髿庵写嬖谕牧?、密度分層等現(xiàn)象，會(huì)對(duì)觀測形成干擾，這就需要自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行矯正。所謂自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，就是通過向空中發(fā)射高能激光，在高空制造人工“導(dǎo)星”，并不斷對(duì)其檢測，再借助變形鏡高速精密的調(diào)整，使圖像清晰銳利。光電所則承擔(dān)了TMT激光導(dǎo)星子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造。
帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)快速提升
中國科學(xué)家不僅為這個(gè)全球最大的天文望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目作出了重要貢獻(xiàn)，通過這個(gè)項(xiàng)目，也使中國相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)水平得到快速提升。
此前很長時(shí)期，中國的天文望遠(yuǎn)鏡研究與國外有著一定的差距。
中國科學(xué)院國家天文臺(tái)首席科學(xué)家王俊杰告訴記者，十九世紀(jì)八十年代，國外已有1.8米級(jí)的天文望遠(yuǎn)鏡，而中國直到上世紀(jì)八十年代，才建成2米級(jí)的天文望遠(yuǎn)鏡，目前口徑最大的望遠(yuǎn)鏡，其有效口徑也才為4米，這也影響了國內(nèi)在天文觀測方面的研究，“沒有設(shè)備，沒法和別人競爭。”
同時(shí)，自主制造大口徑的望遠(yuǎn)鏡也面臨許多困難，一個(gè)是造價(jià)比較高，比如TMT項(xiàng)目投資超過10億美元;另外，在有些領(lǐng)域技術(shù)也達(dá)不到。因此，建立大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡需要多國合作，目前，國際上沒有其他國家在中國的臺(tái)址上建造大口徑望遠(yuǎn)鏡，因此出資參與國外的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目也是選擇之一。
正是在考慮了多方面的情況后，2009年底中國科學(xué)院國家天文臺(tái)以觀察員身份正式加入國際三十米望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目(TMT)，其后啟動(dòng)了在這個(gè)全球最大的天文望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目上的科技合作。
如果中國最終能成為合作伙伴之一，當(dāng)TMT天文望遠(yuǎn)鏡建成后，中國將分享與實(shí)物貢獻(xiàn)成比例的TMT的觀測時(shí)間，獲得科學(xué)回報(bào)，并通過承擔(dān)TMT核心技術(shù)任務(wù)，帶動(dòng)相關(guān)高技術(shù)發(fā)展。
天文研究取得多項(xiàng)突破
在參與全球最大天文望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目核心技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，近年來，國內(nèi)天文研究也取得了不俗的成績，建立了多個(gè)類型的天文臺(tái)，以進(jìn)行不同的研究。
王俊杰告訴記者，國內(nèi)目前最大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡就是郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)，安放在中國科學(xué)院國家天文臺(tái)興隆觀測站，這個(gè)觀測站地處燕山主峰南麓，海拔960米，其主要科學(xué)目標(biāo)是光學(xué)光譜巡天工作，于2008年10月落成。
2011年10月23日，LAMOST正式啟動(dòng)先導(dǎo)巡天工作。其有效通光口徑為4米，視場角直徑為5度。在5度視場、直徑為1.75米的焦面上放置4000根光纖，可同時(shí)獲得4000個(gè)天體的光譜，使其成為世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。
王俊杰指出，LAMOST的建成，突破了天文望遠(yuǎn)鏡大視場與大口徑難以兼得的難題，成為目前國際上口徑最大的大視場望遠(yuǎn)鏡，是中國光學(xué)望遠(yuǎn)鏡研制的又一里程碑。不足之處主要在于目前的站址條件不能完全滿足觀測需要，主要表現(xiàn)在越來越多來自興隆縣城的燈光污染使得望遠(yuǎn)鏡工作上空的夜天光增強(qiáng)。此外，興隆的大氣視寧度也比以前變差。這些都對(duì)該望遠(yuǎn)鏡功能的展現(xiàn)造成了一定的影響。
另外，位于貴州“大窩凼”洼地的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，是正在建造中的國家重大科學(xué)工程項(xiàng)目。它利用貴州喀斯特地區(qū)的洼坑作為望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址，建造世界第一大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其擁有30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場大的接收面積。
王俊杰說，“大窩凼”洼地是喀斯特地貌所獨(dú)有的漏斗形天坑，就像一個(gè)天然的巨碗，剛好盛起望遠(yuǎn)鏡約20萬平方米的巨型反射面，建成后的望遠(yuǎn)鏡將會(huì)填滿整個(gè)山谷。FAST與被評(píng)為人類二十世紀(jì)十大工程之一的美國Arecibo 300米望遠(yuǎn)鏡相比，其綜合性能提高約10倍。作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來20到30年保持世界一流設(shè)備的地位。不過，王俊杰指出，F(xiàn)AST雖然口徑巨大，但畢竟是單一天線，不是多天線的干涉陣，因此，探測分辨率(分辨天體細(xì)節(jié)的能力)比不上有些干涉陣列射電望遠(yuǎn)鏡及甚長基線射電望遠(yuǎn)鏡。
而建于羊八井的天文觀測站是中國科學(xué)院國家天文臺(tái)建于西藏的第一個(gè)專業(yè)天文臺(tái)站，天文臺(tái)里的中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡(CCOSMA)，是中國第一架可用于常規(guī)天文觀測的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，也是目前北半球臺(tái)址海拔最高的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡。
CCOSMA是具有世界先進(jìn)水平的望遠(yuǎn)鏡，很多方面目前仍處于國際領(lǐng)先地位。它不僅可推動(dòng)國內(nèi)天文界在亞毫米波天文學(xué)領(lǐng)域的研究，還可作為中國未來重大科學(xué)工程計(jì)劃中的大型亞毫米波望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的試驗(yàn)平臺(tái)及人才培養(yǎng)平臺(tái)。
王俊杰告訴記者，CCOSMA的優(yōu)勢(shì)在于接收束寬大，也就是視場大，非常適合巡天觀測，這是目前北半球其他亞毫米波望遠(yuǎn)鏡所不具備的。但CCOSMA也存在一定的不足，就是接收束寬大，分辨率較低，所以不能探測天體的精細(xì)結(jié)構(gòu)。