中國參與的國際合作項(xiàng)目30米望遠(yuǎn)鏡(TMT)示意圖

國際著名光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主鏡尺寸比較。虛線所示的是多鏡面的等效集光能力。

3鏡還是4鏡?這兩天，天文圈因?yàn)檫@個望遠(yuǎn)鏡吵得不可開交……

建設(shè)一個12米口徑的光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡，已被列入我國“十三五”規(guī)劃，而且是優(yōu)先布局的10個重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。但是這兩天，天文圈卻因?yàn)檫@個望遠(yuǎn)鏡吵得不可開交。

爭論雙方涉及3位中科院院士。國家天文臺研究員陳建生院士在8月4日公開長信中“抖出”與中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所研究員崔向群院士的分歧。后者在8月6日又與蘇定強(qiáng)院士聯(lián)名寫公開信一一反駁。他們爭論的核心是，這臺12米口徑望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該采取什么樣的技術(shù)方案。

竟然在天文圈掀起這么大波瀾，不用說，這不是一架普通的天文望遠(yuǎn)鏡。

我國急需“眼睛”更大的望遠(yuǎn)鏡

“目前我們國家天文研究的體量在國際上并不算小，但是比較尖端的、在國際上有競爭力的天文觀測設(shè)備，并不是很多。”在中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員趙海斌看來，12米口徑望遠(yuǎn)鏡對國內(nèi)天文學(xué)的發(fā)展意義非常。

有人可能要問，我們已經(jīng)建成了世界上獨(dú)一無二的500米口徑望遠(yuǎn)鏡，為什么還要建12米口徑望遠(yuǎn)鏡?

答案在于，位于貴州的500米口徑望遠(yuǎn)鏡是一架射電望遠(yuǎn)鏡，而這架12米口徑望遠(yuǎn)鏡是一架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。“它們觀測的是完全不同的波段，產(chǎn)生各自波段的光的天體及物理機(jī)制一般也不一樣。”中科院國家天文臺在讀博士劉博洋說，這意味著兩種望遠(yuǎn)鏡觀測的是不同天體，或者從不同角度研究同一種天體。

雖然已經(jīng)擁有口徑居世界第一的射電望遠(yuǎn)鏡，但盤點(diǎn)國內(nèi)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的家底，卻發(fā)現(xiàn)跟國際先進(jìn)水平有很大差距。

目前國內(nèi)口徑最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是位于國家天文臺興隆基地的郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)，它是一臺4—6米級的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，但不具備成像觀測能力。而國內(nèi)具備成像觀測能力的通用型望遠(yuǎn)鏡，最大口徑仍然只有2米級。這與世界先進(jìn)水平差了不止一步，因?yàn)閲H上8—10米級的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)有13架。

“理論上講，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，觀測的精度和靈敏度就越好，因此可以觀測到的信號也更遙遠(yuǎn)、更微弱，獲得的天體圖像質(zhì)量也相對更好。”中科院國家天文臺研究員張承民告訴科技日報記者，這樣就有更多機(jī)會發(fā)現(xiàn)原來不知道的、隱藏在宇宙深處的天體。

然而，為了進(jìn)行比較前沿的天文研究，獲得更加清晰的天體圖像，國內(nèi)天文工作者不得不去租用國外望遠(yuǎn)鏡的觀測時間，而且要支付昂貴的租金。

“國外望遠(yuǎn)鏡也不一定能租上，有時只能使用別人釋放的二手?jǐn)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)里的‘金礦’通常都被挖完了，只能挖掘剩下的。”劉博洋說，這樣容易失去和國際一流天文學(xué)研究進(jìn)行競爭的機(jī)會。

12米，要通用而不要巡天

如此一來，建造一架口徑更大的光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡，就成了迫在眉睫的事情。

去年年底，《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》(以下簡稱《規(guī)劃》)正式公布，其中大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡被列入優(yōu)先啟動的10個項(xiàng)目。

《規(guī)劃》明確提出，建設(shè)一架12米級口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡，具備多目標(biāo)、暗天體高分辨成像和光譜觀測的精測能力。這意味著，這架12米級口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡將是一臺通用型望遠(yuǎn)鏡，而不是LAMOST那樣的巡天望遠(yuǎn)鏡。

“巡天望遠(yuǎn)鏡是粗略而廣泛地去觀測，觀測的精度不高，但是可以比較高效地對大量天體進(jìn)行‘普查’。”劉博洋介紹，而通用型望遠(yuǎn)鏡一般是精測，分辨率和靈敏度都比較高，用巡天望遠(yuǎn)鏡看到值得研究之處，可以再用通用型望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行有針對性的深度觀測。

目前，國內(nèi)已有、在建和“十二五”規(guī)劃的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡均是巡天型望遠(yuǎn)鏡。除了LAMOST，我國還計(jì)劃于2022年發(fā)射口徑為2米的中國空間站巡天望遠(yuǎn)鏡。此外，中國南極昆侖站也將建造一臺口徑2.5米的巡天望遠(yuǎn)鏡。這些巡天望遠(yuǎn)鏡都需要大口徑的精測型望遠(yuǎn)鏡相配合。

因此，將這架12米口徑望遠(yuǎn)鏡建造成通用型望遠(yuǎn)鏡，沒什么好說的。倒是它的口徑大小的確定，確實(shí)經(jīng)歷了一番爭論。

“近年來國際上已經(jīng)出現(xiàn)好幾個建設(shè)30—40米級大型望遠(yuǎn)鏡的方案。于是剛開始有人提出，國內(nèi)應(yīng)該直接建20米級望遠(yuǎn)鏡。”劉博洋告訴記者，這種主張?jiān)獾胶芏嗳朔磳?，反對者認(rèn)為，國內(nèi)在大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的建造上缺乏技術(shù)和人才積淀，在技術(shù)基礎(chǔ)比較薄弱的情況下，直接挑戰(zhàn)20米級望遠(yuǎn)鏡，步子邁得太大。

于是，經(jīng)過長時間爭論，建設(shè)12米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的方案才最終敲定。雖然與20米級相比，12米口徑望遠(yuǎn)鏡屬于折中方案，劉博洋認(rèn)為，這絲毫沒有減弱它的價值，因?yàn)閲鴥?nèi)天文界依然迫切需要這樣一臺大型望遠(yuǎn)鏡。

“設(shè)施建成后，可使我國光學(xué)極限探測能力處于國際領(lǐng)先行列，大幅提升天文觀測重大發(fā)現(xiàn)的綜合能力，同時為相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究提供重要支撐，帶動我國先進(jìn)光學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。”對于12米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的意義，《規(guī)劃》如此描述。

3鏡還是4鏡?這是一個問題

在搞定一系列問題后，這架12米級光學(xué)望遠(yuǎn)鏡又在技術(shù)方案上出現(xiàn)了磕絆。

去年年底，大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡前期工作組曾邀請國內(nèi)外8家單位對12米口徑望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)，只有華中科技大學(xué)和中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所提交了設(shè)計(jì)方案，一個是3鏡方案，一個是4鏡方案。3鏡和4鏡之爭，由此正式形成。

不可思議的是，中科院分別在今年4月和7月組織了國際專家評審和國內(nèi)專家評審，結(jié)果3鏡方案在勝出之后，突然又被4鏡方案反轉(zhuǎn)。

3鏡方案是國際上普遍采納的方案，正如陳建生所言，“國際上已建成的超過10臺10米級望遠(yuǎn)鏡無一不是采用3鏡系統(tǒng)”。而4鏡方案則是“獨(dú)樹一幟”的，它比國際上經(jīng)典的光學(xué)方案多了一塊鏡面。

“兩個方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。”劉博洋介紹，3鏡方案的主要優(yōu)勢在于光損較少，更能探測暗弱天體，而且作為一種成熟的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行的風(fēng)險較小，比較穩(wěn)妥。4鏡方案的最大優(yōu)勢在于，通過增加一塊改正鏡，讓望遠(yuǎn)鏡的焦平面更平，與3鏡方案相比，理論上能達(dá)到的像質(zhì)更好。

“大國政府出資建設(shè)的大科學(xué)工程必須有科學(xué)亮點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新。”4鏡方案的支持者提出，4鏡方案不但可以滿足一架通用望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)需求，而且有所創(chuàng)新，即使在30米級望遠(yuǎn)鏡時代也有顯著科學(xué)優(yōu)勢。

但3鏡方案支持者并不認(rèn)同這種說法。“4鏡系統(tǒng)獲得好的設(shè)計(jì)像質(zhì)是最大優(yōu)勢，但在地面觀測受大氣抖動影響的條件下，像質(zhì)主要由地面視寧度決定，無論3鏡和4鏡都是一樣的。”陳建生分析，4鏡系統(tǒng)中最后一面反射鏡中央要開一個洞，這會進(jìn)一步損失光，可能會影響重要科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

爭議還在繼續(xù)，而且吸引了越來越多的人加入。截至記者發(fā)稿，已有100多位青年天文工作者聯(lián)名支持3鏡方案。12米口徑望遠(yuǎn)鏡最終會選擇哪種方案，將由時間來揭曉。(記者 劉園園)