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科学家的新一代天文台:打造直径 30 米望远镜

发布于2020-06-26 06:52:14,科学家的新一代天文台:打造直径 30 米望远镜,Kotoo科技新闻网(http://www.kotoo.com)
 

科学家的新一代天文台:打造直径 30 米望远镜



运用最新科技兴建大型光学天文望远镜的计划,一直是天文学家追求的目标。目前世界最大的光学望远镜是美国两座凯克望远镜(Keck Observatory),主镜片各有 10 米,1996 年完工,也是 20 多年前的科技了。

关于 30 米望远镜(Thirty Meter Telescope,TMT)的设计与规划,早在 2000 年代左右便已开始进行。这座正在兴建的 30 米望远镜,预计将耗资约 24 亿美元 (约新台币 720 亿元)打造。

30 米望远镜的最新科技

要装下 30 米大的镜片,天文台会是相当巨大的建筑物,这也是 30 米望远镜最吸引人的特色之一。

望远镜的光圈将会和圆顶上方的“洞”相对应,这个可以移动的“洞”,可以大幅降低周遭的光害,并增进远方光线的敏感度。围绕在天文台建筑物四周的“百叶窗”,可平衡望远镜内外的温度与湿度,自然减少建筑物对观测活动的干扰,可说是天文界的“绿建筑”!

望远镜主镜片是由 492 片直径 1.4 米的六角“镜块”组成直径 30 米的大镜片,而不是一体成形的单一镜片。这种“镶嵌”镜片,除了能突破镀造单一镜片的技术极限,更能大幅减少镜片形变造成的影响。完工后的 30 米主镜片,面积与集光力将是上述凯克望远镜的 9 倍,意思是科学家可用同样的时间,观测到亮度 9 倍弱的遥远光源。

(Source:MT International Observatory)

除了可看到极微弱的光线,靠着“适应光学”(adaptive optics)系统,30 米望远镜也有极高分辨率。适应光学为运用人工激光的“导航星”(guided stars)即时修正大气干扰的系统,密布“附着”在主镜片背面,收到修正讯号后,运用微型马达快速修正镜片表面,以达到修正影像分辨率的效果。

▲30 米望远镜的适应光学系统示意图。光源从上方进入望远镜后,透过控制系统 (control system) 计算大气扰动的幅度,并即时回报给可形变的镜片 (deformable mirror) 进行修正。最后修正后的影像再由高分辨率相机接收 (high-resolution camera)。(Source:TMT general brochure)

适应光学系统其实已有 30 年左右历史,但是 30 米望远镜运用的最新科技,使适应光学系统的精确度与速度都更优于其他大型望远镜。透过适应光学,30 米望远镜在近红外线波长可达 8 微角秒 (milli-arcsecond) 左右分辨率,这除了已经接近理论光学的“绕射极限”,更超越目前太空望远镜如哈伯太空望远镜的分辨率。

30 米望远镜即将达成在地表也可以有太空望远镜等级的分辨率,除了移除大气层的影响,也免除建造与维护太空望远镜的昂贵成本。

30 米望远镜的科学

安装在 30 米望远镜的仪器,将由 3 个“曙光仪器”(first-light instruments) 领军:广域可见光谱仪 (Wide Field Optical Spectrometer,WFOS)、红外线影像光谱仪 (Infrared Imaging Spectrometer,IRIS) 与红外线多物件光谱仪 (Infrared Multi-object Spectrometer,IRMS)。这 3 个曙光仪器将协助科学家校正与“操练”30 米望远镜的极限。

虽然设计为可见光光学望远镜,但 30 米望远镜能从短波长的紫外线一路观测到长波长的中红外线。除照片外,3 个曙光仪器也可以观察天体的光谱。这些特色使 30 米望远镜有很大的科学潜力。

极高的集光力表示 30 米望远镜可观测到极远、亮度极微弱的天体,这对研究星系演化的天文学家来说,能观测到大量的早期星系 (primordial galaxies) 与星团 (star clusters),由此可以解释理论星系演化的许多模型。

极高的分辨率使 30 米望远镜能产出低噪声与高细节的照片。在高分辨率的星系团照片,科学家可以透过“弱重力透镜”(weak lensing) 效应,研究暗物质 (dark matter) 与宇宙学的理论模型。高分辨率的星系中心照片,科学家则可研究黑洞吸积盘周围物质受到黑洞什么影响,进而证明或修正黑洞与广义相对论的模型。在高分辨率的恒星照片,可发现更多有更复杂轨道特性的“系外行星”(exoplanets)。

运用 30 米望远镜的红外线仪器,科学家能“透视”可见光无法见到、充满尘埃与气体的星际间物质 (interstellar medium)。这些物质是孕育恒星与行星生成的“摇篮”,对了解太阳系生成过程有极大帮助。

30 米望远镜的光谱仪更能侦测到微弱的谱线,协助科学家寻找如星际间有机物等物质,最终也能为寻找外星生命有贡献。

30 米望远镜与夏威夷

30 米望远镜最引人注目的,也许就是地点了。“要在哪里建造天文台”是个重要议题,30 米望远镜团队总共挑选南北半球五处地点探勘(包含智利两处,墨西哥、西班牙与夏威夷各一处),最后由夏威夷获得一致青睐。

夏威夷也许是观光胜地,有夏季海岛型气候。但在其中“大岛”(Big Island),有标高 4,207 米的茂纳基亚火山 (Mauna Kea),山上气温往往接近零度,冬天更是天天破零。因为山顶干燥、寒冷与稳定的气候,早有许多大型天文台常驻于此。

30 米望远镜除了提供天文学家进行更大量与精密的研究,对夏威夷当地经济发展也充满潜力。

夏威夷经济收入来源主要为观光业,每年约有 700 万美元(约新台币 2.1 亿元)观光收入与天文产业有关。如果加上周边产业,每年更有约 1.67 亿美元(约新台币 50 亿元)利润。

30 米望远镜的建造过程,预计可提供 300 多个工作机会,完工之后更会提供 140 个永久职位,加上观光客增加带来的额外收入,预计每年可为夏威夷带来约 260 万美元(约新台币 8 千万元)利润。

可是,30 米望远镜的建造早从动土开始就碰到一连串阻碍。茂纳基亚火山位在自然保护区里,附近有相当多雨林、冰河与火山地形,也经是电影《侏罗纪公园》取景地之一。人文方面,这座火山更是夏威夷原住民的圣山,就算山顶盖了 13 座天文台,只再多盖一座更大型的,还是让许多人难以接受。

从 2014 年 10 月开始,当地保育团体与原住民开始阻碍望远镜工程,后来更演变为长期请愿运动“Puuhonua o Puuhuluhulu”,使 30 米望远镜兴建被迫暂停。

▲当地人士举著“我们永远不会放弃。30 米望远镜不会建造”的布条抗议。(Source:Puuhonua o Puuhuluhulu)

“Puuhonua o Puuhuluhulu”网站首页明写,“除非 30 米望远镜离开夏威夷,否则我们不会离开茂纳基亚火山。”

30 米望远镜命运未卜,但趁著疫情空档,让我们反思,如果明天要投票,你会投文化保存,还是尖端科学呢?

  • It’s Time To Reconsider Objections To Astronomy On Mauna Kea

(首图为 30 米望远镜完工时想像图;来源:TMT)

延伸阅读:

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