以下内容由南京大学天文与空间科学学院谢懿博士编译,转载到此,供大家了解。(来源:文汇报)
30米TMT:深入前所未见的宇宙
“我们知道的越多,宇宙就变得越神秘,需要人类更多的创造力迈向下一步。”
——杰里·纳尔逊(美国加州大学圣克鲁兹分校TMT项目科学家)
在伽利略用自制的望远镜彻底变革了人类对宇宙的观念之后400年,一架正在建造的巨型望远镜将会为人类带来更多有关宇宙的更新、更深层的认识。
新天文学
一旦建成,这架新的望远镜将使得天文学家能比过去更清晰地看到暗弱的天体。它将能够识别出即便在今天的哈勃极深场中看上去仍很模糊的极为遥远的结构。然而至今还没有人知道这些天体到底是什么。这一新的分辨能力将加大对太阳系外行星的搜寻和探测,同时还能惠及对宇宙中第一代星系的研究。
截止2011年5月20日,人类已经发现了551个太阳系外行星的候选者,其中还有超过200个的行星系统。这些发现中的大部分是通过光谱探测行星对其宿主恒星在观测者视线方向上的引力摄动而被发现的,这一手段被称为视向速度方法。TMT的视向速度巡天所能覆盖的恒星数量将比眼下的多出30倍。目前这一方法主要适用于搜寻极为靠近宿主恒星的热类木星。但如果要找到位于低温矮星周围宜居带(恒星周围可以有液态水存在的区域)中的岩质类地行星,现有视向速度方法的灵敏度还需要提高至少10倍。
为此,目前世界上最大的凯克天文台的两架望远镜需要1~3个小时才能得到可信的视向速度数据,这大大限制了观测的效率。考虑到行星系统的多样性,必须要对数百颗恒星进行观测之后方能真正得到近距岩质外星行星的可靠比例。TMT在这方面的优势就体现了出来。它比“凯克”强大9倍的集光能力使得它能把每次视向速度观测所需的时间相应缩短到只有几分钟。这使得它可以在一年里观测数千个外星行星候选体。
除了视向速度观测之外,TMT还将使得人类第一次能经常性地对外星行星进行直接成像观测,收集它们大气活动和化学性质的信息。通过星冕仪和高精度天体测量技术,TMT可以探测距离宿主恒星相对较远的年轻高温类木行星。来自遥远行星系统的星光包含了行星及其宿主恒星的辐射。从地球上看,当行星从恒星前方经过时,恒星所发出光中的一部分会穿过行星的大气。于是,由行星大气分子所造成的吸收特征就会在恒星的光谱中显现出来。根据这些光谱就能测定出外星行星的大气成分。TMT除了将帮助我们确定银河系中类似地球这样的行星究竟有多罕见之外,还能帮助推断出在银河系的其他地方是否也存在类似地球上的生命。
新的TMT将会看到之前任何一架望远镜都无法看到的早期宇宙,直达宇宙“黑暗时代”之后第一代恒星和星系的形成时期,直击宇宙中的“第一缕光”。有理论认为,在大爆炸的光辉褪去之后,宇宙进入了一个长期的“黑暗时代”。最终,低温物质聚集坍缩,形成了第一代恒星和星系,出现了第一缕光。
第一代星系中包含有从原初气体中形成的第一代大质量恒星。这些星族Ⅲ恒星会以超新星爆发的形式为宇宙制造出第一批重元素。作为大质量的热源,它们会发出强烈的辐射,电离周围的原初氦。这些气体所产生的特征发射线可以作为这些第一代恒星的示踪器。TMT可以看到红移达14的星系中的这些谱线,验证先前根据微波背景辐射偏振所做出的星族Ⅲ恒星的红移在7到20之间的预言。这将为早期星系的演化提供一个新的重要的限制。
此外,在黑暗时代中,引力开始把暗物质聚集成团,构建宇宙大尺度结构的架构。中性氢和氦原子会被暗物质吸引,在密度最高的区域积聚。不过这一原初引力成团的细节目前还鲜为人知,我们不知道是单颗恒星还是巨型黑洞先形成。恒星和黑洞都会产生高能光子。高温、明亮的恒星会辐射出巨量的紫外线。在吸积盘中落向黑洞的物质其温度会高到足以产生X射线。没有人知道,哪类天体率先开始发出明亮的辐射,但有一件事情是肯定的:在几亿年之后,宇宙的灯光被点亮了。对于这些问题,TMT兴许可以为我们提供一些线索。
为了攻克这些未知,TMT必须要有远超目前最大望远镜的镜面来收集来自宇宙边缘的微弱信息。但建造直径30米的望远镜主镜绝非易事!
化整为零
20世纪70年代末,天文学家们遇到了一个问题:天文望远镜的尺寸已经不再能满足他们的要求。为了能更深入宇宙的过去,他们需要更大的望远镜。为了建造更大的望远镜,就需要更大的镜面,但是直径大于5米的镜面会由于形变而产生扭曲的图像,使得超越1948年建造的5米海尔望远镜的梦想始终未能如愿。
“许多人曾经认为它是能建造的最大望远镜,”美国加州大学天文台台长麦克·博尔特说。当苏联人在1976年用老方法建造了一台6米的望远镜后,它只能给出糟糕的扭曲图像。全世界的科学家都意识到必须要有新的设计方案。
最终找到破 解这一关键问题办法的是一名谁也没有想到的物理学家,他就是当时在美国加州大学伯克利分校的纳尔逊。“在演讲时,他平淡的风格会让你觉得他正在讨论推销一种新的市政下水道合同,而不是世界上最大的望远镜,”美国《洛杉矶时报》评论到,“然而他是一个不屈不挠且有能力的科学家,拥有巧妙解决意料之外问题的天赋。”
抓住机遇、积极参与三十米光学-红外望远镜国际合作
中国科学院自适应光学重点实验室年会期间,金国藩等14位中国工程院院士对中国参加30米光学-红外望远镜(TMT)国际合作项目计划进行了主动咨询,在查阅TMT项目建议资料,听取项目进展汇报后,联名签署了《抓住机遇、积极参与三十米光学-红外望远镜国际合作》专家建议,希望我国积极争取正式成为TMT项目的合作伙伴,并且力争在其它有优势的方面承担更多的任务。
巨大的三十米望远镜(TMT)是在建的新一代地面超级望远镜之一。它的主镜直径为30米,计划在2018年完工。届时它收集光的能力将是10米凯克望远镜的9倍,它的分辨率将是哈勃空间望远镜的12倍。从美国夏威夷莫纳克亚的火山穹丘,TMT将会为我们送上前所未见的超精细宇宙图像。 分享到:
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cyqdesign 2011-06-08 10:34