12米口徑的望遠(yuǎn)鏡為何現(xiàn)在這么“火”？

劉園園

建設(shè)一個(gè)12米口徑的光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡，已被列入我國(guó)“十三五”規(guī)劃，而且是優(yōu)先布局的10個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。3鏡還是4鏡？近日，天文圈卻因?yàn)檫@個(gè)望遠(yuǎn)鏡吵得不可開交……

爭(zhēng)論雙方涉及3位中科院院士。8月4日，國(guó)家天文臺(tái)研究員陳建生院士在公開長(zhǎng)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(zhēng)論的核心是，這臺(tái)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(guó)急需“眼睛”更大的望遠(yuǎn)鏡

“目前我們國(guó)家天文研究的體量在國(guó)際上并不算小，但是比較尖端的、在國(guó)際上有競(jìng)爭(zhēng)力的天文觀測(cè)設(shè)備，并不是很多。”在中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員趙海斌看來，12米口徑望遠(yuǎn)鏡對(duì)國(guó)內(nèi)天文學(xué)的發(fā)展意義重大。

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?！八鼈冇^測(cè)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?！敝锌圃簢?guó)家天文臺(tái)在讀博士劉博洋說，這意味著兩種望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的是不同天體，或者從不同角度研究同一種天體。

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

目前國(guó)內(nèi)口徑最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是位于國(guó)家天文臺(tái)興隆基地的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），它是一臺(tái)4—6米級(jí)的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，但不具備成像觀測(cè)能力。而國(guó)內(nèi)具備成像觀測(cè)能力的通用型望遠(yuǎn)鏡，最大口徑仍然只有2米級(jí)。這與世界先進(jìn)水平差了不止一步，因?yàn)閲?guó)際上8—10米級(jí)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(cè)的精度和靈敏度就越好，因此可以觀測(cè)到的信號(hào)也更遙遠(yuǎn)、更微弱，獲得的天體圖像質(zhì)量也相對(duì)更好?！敝锌圃簢?guó)家天文臺(tái)研究員張承民解釋，這樣就有更多機(jī)會(huì)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(guó)內(nèi)天文工作者不得不去租用國(guó)外望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間，而且要支付昂貴的租金。

“國(guó)外望遠(yuǎn)鏡也不一定能租上，有時(shí)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?！眲⒉┭笳f，這樣容易失去和國(guó)際一流天文學(xué)研究進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)。

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。

2016年年底，《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》（以下簡(jiǎn)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(dòng)的10個(gè)項(xiàng)目。

《規(guī)劃》明確提出，建設(shè)一架12米級(jí)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(cè)的精測(cè)能力。這意味著，這架12米級(jí)口徑光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡將是一臺(tái)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(cè)，觀測(cè)的精度不高，但是可以比較高效地對(duì)大量天體進(jìn)行‘普查?！眲⒉┭蠼榻B，而通用型望遠(yuǎn)鏡一般是精測(cè)，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，再用通用型望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行有針對(duì)性的深度觀測(cè)。

目前，國(guó)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(guó)還計(jì)劃于2022年發(fā)射口徑為2米的中國(guó)空間站巡天望遠(yuǎn)鏡。此外，中國(guó)南極昆侖站也將建造一臺(tái)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(cè)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(zhēng)論。

“近年來國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)好幾個(gè)建設(shè)30—40米級(jí)大型望遠(yuǎn)鏡的方案。于是剛開始有人提出，國(guó)內(nèi)應(yīng)該直接建20米級(jí)望遠(yuǎn)鏡?！眲⒉┭蟊硎荆@種主張?jiān)獾胶芏嗳朔磳?duì)，反對(duì)者認(rèn)為，國(guó)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(jí)望遠(yuǎn)鏡，步子邁得太大。

于是，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間爭(zhēng)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(jí)相比，12米口徑望遠(yuǎn)鏡屬于折中方案，但劉博洋認(rèn)為，這絲毫沒有減弱它的價(jià)值，因?yàn)閲?guó)內(nèi)天文界依然迫切需要這樣一臺(tái)大型望遠(yuǎn)鏡。

“設(shè)施建成后，可使我國(guó)光學(xué)極限探測(cè)能力處于國(guó)際領(lǐng)先行列，大幅提升天文觀測(cè)重大發(fā)現(xiàn)的綜合能力，同時(shí)為相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究提供重要支撐，帶動(dòng)我國(guó)先進(jìn)光學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展?！睂?duì)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(gè)問題

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

2016年年底，大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡前期工作組曾邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外8家單位對(duì)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(gè)是3鏡方案，一個(gè)是4鏡方案。3鏡和4鏡之爭(zhēng)，由此正式形成。

不可思議的是，中科院分別在2017年4月和7月組織了國(guó)際專家評(píng)審和國(guó)內(nèi)專家評(píng)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(guó)際上普遍采納的方案，正如陳建生所言，“國(guó)際上已建成的超過10臺(tái)10米級(jí)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(guó)際上經(jīng)典的光學(xué)方案多了一塊鏡面。

“兩個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。”劉博洋介紹，3鏡方案的主要優(yōu)勢(shì)在于光損較少，更能探測(cè)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(xiǎn)較小，比較穩(wěn)妥。4鏡方案的最大優(yōu)勢(shì)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(guó)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?！?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(jí)望遠(yuǎn)鏡時(shí)代也有顯著科學(xué)優(yōu)勢(shì)。

但3鏡方案支持者并不認(rèn)同這種說法?！?鏡系統(tǒng)獲得好的設(shè)計(jì)像質(zhì)是最大優(yōu)勢(shì)，但在地面觀測(cè)受大氣抖動(dòng)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?！标惤ㄉ治?，4鏡系統(tǒng)中最后一面反射鏡中央要開一個(gè)洞，這會(huì)進(jìn)一步損失光，可能會(huì)影響重要科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

爭(zhēng)議還在繼續(xù)，而且吸引了越來越多的人加入。截至日前，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(huì)選擇哪種方案，將由時(shí)間來揭曉。

（本文轉(zhuǎn)自《科技日?qǐng)?bào)》）