中国加入TMT国际合作计划科学目标

1中国加入TMT国际合作计划科学目标()草稿(2010年1月19日)2摘要30米望远镜（TMT）计划是由美国加州理工学院（Caltech）、加州大学系统（UC）和加拿大大学天文研究联盟联合发起的国际合作项目，该项目计划于夏威夷莫纳克亚峰建造一个世界领先的30米巨型光学-红外观测设备。目前，日本也已经参与进来，步入成为TMT合作伙伴的第二阶段。加州理工学院和加州大学有着丰富的大型望远镜建造经验，曾成功地在预定时间表内和资金预算内建造了十米凯克（Keck）望远镜。在建造凯克过程中所积累的丰富经验和技术，将在很大程度上为近10亿美元的TMT计划节约造价，降低风险。TMT的大孔径（高集光能力）、先进的终端仪器装备和自适应光学系统、以及卓越的台址将掀起天文学众多领域的革命。使用TMT，我们将可以直接观测系外行星的大气层，洞察暗物质暗能量的本质，将星系、恒星、黑洞和行星的诞生与演化过程更清楚地揭示出来。在过去十年里中国天文学家取得了相当可观的进步。即将投入使用的LAMOST望远镜，以其科学潜力吸引了国际国内天文学家的广泛关注。正在建造和正在筹划中的巨型地基和空间装置为中国天文学家做出具有世界竞争力的科学成果提供了空前的机会。数个优秀的研究中心已经建成为人才交流和科学创新的国际化平台。这些进步为中国下一代天文学家在可预见的将来进入世界科学舞台的前沿铺平了道路。中国天体物理发展战略专家委员会在经过仔细的论证后，推荐加入TMT项目作为中国天文未来发展的最优选择。加入TMT将把中国带入未来数十年天文发展的前沿，通过国际合作，将有益于中国在科学、管理、技术、工业等各方面获得跨越性进步。TMT还将配合中国其它大天文装置（如LAMOST、FAST等），从而充分发挥它们的科学潜力。本文件在广泛征集中国天体物理界专家、学者意见基础之上，列出了中国加入TMT的主要科学目标和具有代表性的观测计划，确定了未来十年中我们需要加强的科学领域，为2018年TMT进入科学观测阶段作好准备。31背景介绍天文学是一门古老的学科，自从人类诞生以来，好奇心就推动着天文学的发展：宇宙是如何诞生的？地球人类是否宇宙中唯一的智慧生物？现在，随着下一代巨型望远镜（比如TMT）的建造，天文学家终于有可能来回答这些问题。加入TMT计划将把中国带入未来数十年天文发展的前沿，通过国际合作，将有益于中国在科学、管理、技术、工业等各方面获得跨越性进步。TMT的合作伙伴资格将在未来两年内确定，这将是一个中国不容错过的机会。中国天文具有丰富而值得骄傲的历史。中华文明保存了世界上最完好的彗星、太阳黑子以及超新星爆发记录。比如，宋朝的文献（公元1054年）提供了蟹状星云超新星爆发最好最准确的时间。400年前伽利略发明了第一台现代望远镜，开启了天文观测的新纪元；而正是在这过去的几百年间，中国天文逐渐落后于西方世界。从哥白尼的“日心说”开始，天文学总是处在科学革命的最前沿。随着覆盖了从射电到伽马射线的所有波段的大型望远镜的发展，现代天文学家向我们揭示了一个丰富的宇宙，揭示了宇宙从最小到最大各个尺度上的统一性。在这点上，天文学家为我们理解自然的基本原理做出了很大贡献。近年来的天文巡天表明我们的宇宙大部分被暗物质与暗能量所主宰。这两者的本质成为了天文与物理研究的一个最基本的问题。目前已发现的400多个系外行星系统预示着我们的太阳系也许仅仅是个例外而非行星形成的标准模式。得助于TMT这一利器，我们将有可能探求我们地球人类是否为宇宙中唯一的智慧生物。在过去十年里中国天文学家取得了相当可观的进步。即将投入使用的LAMOST望远镜，以其科学潜力吸引了国际国内天文学家的广泛关注。正在建造和正在筹划中的巨型地基和空间装置为中国天文学家做出具有世界竞争力的科学成果提供了空前的机会。数个优秀的研究中心已经建成为人才交流和科学创新的国际化平台。这些进步为中国下一代天文学家在可预见的将来进入世界科学舞台的前沿铺平了道路。2000年公布的美国天文和天体物理十年规划（TheUSAstronomyandAstrophysicsDecadalSurvey）将30米巨型拼接镜面望远镜列为最优先发展的项目，计划通过公共与私人分别筹款50%的方式来共同运作完成项目。三十米望远镜的集光能力是目前8-10米级望远镜的十倍，将在天文研究领域取得史无前例的进展。十年规划公布后，三个主流的三十米级望4远镜国际合作项目受到广泛关注：即美国的巨型麦哲伦望远镜（GMT）、三十米望远镜（TMT），以及欧洲42米极大望远镜（E-ELT）项目。目前在三个项目中，TMT在技术设计、资金落实等各方面都更为成熟。TMT的合作单位包括美国加州理工学院（Caltech）、加州大学系统（UC）和加拿大大学天文研究联盟（ACURA）；日本已基本确定参加，步入成为TMT合作伙伴的第二阶段；印度和巴西正在考虑加入TMT。加州理工学院和加州大学有着丰富的大型望远镜建造经验，曾成功地在预定时间表内和资金预算内建造了十米凯克（Keck）望远镜。在建造凯克过程中所积累的丰富经验和技术，将在很大程度上为近10亿美元的TMT计划节约造价，降低风险。TMT目前已经募集到了所需十亿美元建造及建设费用中的3亿（GordonandBettyMoore基金会提供了两亿美元，加州大学和加州理工学院分别提供五千万美元匹配资金）。此前TMT还得到七千七百万美元的经费支持以进行可行性研究以及望远镜设计方案。30米级望远镜必将成为未来几十年光学-红外波段的主流观测设备。目前中国最大的通用望远镜孔径只有2.4米，其集光能力和终端仪器水平远远落后于国际8-10米级望远镜。若在未来十年内不迎头赶上，获得30米级望远镜的使用机会，中国的天文观测水平将被甩得更远。TMT管理团队的最近一次访华（2009年12月）过程中，代表团成员高度评价了中国所具备的技术和工业能力，认为我们可以在TMT的许多高、精、尖仪器的设计建造中承担主导角色。加入TMT，可以使中国在天文研究领域获得有竞争力的科学产出、成为国际天文界重要的研究力量。中国不应也绝不能再错过这个发展机遇。52加入TMT的意义随着中国经济的迅猛发展，我国在世界舞台上扮演着越来越重要的角色。作为一个民族，我们为过去的技术和文化成就而自豪。但为了保持和进一步增强我们的国际显示度和话语权，我们仍然需要加强对科学技术的投资力度，尤其是对基础科学的投资力度，它是催生现在以及未来的应用技术的沃土。如前所述，随着各种大科学装置的迅速发展（如LAMOST），中国天文界在过去的十年取得了很大的进步。科研环境在硬件上已经接近了国际先进水平。中国天文学家在理论和观测两方面的研究都覆盖了天文学的多个领域；中国天文学界还拥有一批优秀的研究生以及海外华裔天文学家作为人才储备。然而，迄今为止中国却没有一台世界水平的通用光学-红外望远镜：我们最大的光学望远镜也仅仅是云南丽江的2.4米，这与国际上已有的多台8-10米级望远镜形成鲜明对比。即使是如南非这样的第三世界国家也已经建造了他们自己的10米望远镜。大型现代望远镜的缺乏也严重制约了我们其他大型天文装置（如LAMOST和FAST）的科学潜力。为此，中国天体物理发展战略专家委员会将加入TMT项目列为中国天文未来发展的最优选择。通过建造4米望远镜LAMOST，中国已经具有了开展大科学工程项目的宝贵经验。然而，要在下一步突破到30米口径，中国仍有极大的困难而不能独立运作。首先，为充分发掘其能力，三十米望远镜要求最好的台址（最好的视宁度、最暗的天空背景光等），而中国尚未发现这样的世界一流台址。其次，很多30米级望远镜的科学目标集中在红外领域（比如高红移宇宙的研究和系外行星系统的探测），而目前我国不具备红外CCD的生产技术。再次，TMT是一个集科学、技术、工程、管理等多项专业技术于一身的综合项目，目前在中国这种运作模式还未发展成熟。最后，建造TMT的巨大预算是任何国家都难以独自承担的，目前所有的30米望远镜项目计划（TMT、GMT和E-ELT）都是大型的国际合作。参与TMT计划，将非常有利于我国科学、技术以及工业的跨越式发展。它将把中国推进到极大望远镜时代的天文前沿，并将成为中国与国际天文学家合作与竞争的平台。它将与中国的其它大科学装置如LAMOST和FAST相配合，从而充分发挥其科学潜力。它将使中国学到先进的光学、机械、电子以及自动控制等多个领域中的关键技术。6参与如此大尺度、高科技的TMT建设，可以提升中国制造的国际显示度。具有惊人能力的TMT将如同一个巨大的磁石，吸引高水平的海外华裔天文学家同国内天文学家合作，甚至到中国来工作，进一步扩大中国天文的人才库，为未来发展打下坚实基础。TMT还将为中国天文学家同国际天文学家开展合作，使用其它波段的巨型天文探测装置，比如射电波段的SKA，亚毫米波段的ALMA，空间光学-红外望远镜JWST等提供重要平台。这种多波段联合观测方法在天体物理学领域已经变得越来越重要了。需要强调的是加入TMT中国不仅能够通过负责建造特定仪器用以货代款方式承担投资份额，还能派遣代表在几乎所有领域学习各种先进技术。最终的TMT设计/建造准备评估将在2010年六月进行。TMT的初次全孔径实验观测预计将在2017年10月，而初次科学观测将在2018年6月。TMT的全部合作伙伴将于未来的两年内确定。中国加入得越晚，在我们所能对TMT进行贡献的技术和科学方面的选择性和发言权就越小。至关重要的是使我们的科学规划研究的能力与我们的技术水平相适应。这只能通过建立一个强大的具有国际竞争力的科学队伍来实现。而过去十年中国天文在世界舞台上的快速进步给了我们这样的信心：在合适的规划和中国天文学界的共同努力下，这样的一支队伍一定能够在下一个十年内实现。73．TMT天文台和仪器简介3.1TMT天文台TMT天文台（图1）的核心将是一个大视场alt-azRitchey-Chretien望远镜，包括一个492个子镜拼接成的30米直径主镜，一个全活动的第二反射镜和一个万向转镜作为第三镜。镜面收集的光束将供给安装在环绕望远镜的Nasmyth平台上的一系列自适应光学系统（AO）和科学仪器。平台需要建造得足够大以容纳和支撑至少八个AO/科学仪器系统，这些仪器覆盖了很宽的空间和光谱分辨范围。图1望远镜设计（左）和整个天文圆堡（右），来自TMT官方网站（tmt.org）TMT的三十米孔径使得它的灵敏度在近红外波段达到了一个科学的最佳平衡。根据建造凯克望远镜时的成功经验，TMT项目组将望远镜造价与直径的比例从一般要求的D2.7减小到了D1.15。8TMT是第一个设计之初就把自适应光学（AO）作为一个不可分割的组分加以考虑的地面天文望远镜1。AO是一个通用术语，其中包括实时的大气湍流测量系统和对进入望远镜的光束进行改正以消除大气影响的系统，最后达成真正的衍射极限观测——相当于在地球大气之外进行空间观测。TMT的AO系统设计参照了Gemini、凯克和VLT望远镜的成功经验。自适应光学是一个飞速发展的领域，而TMT拥有本领域世界领先的设计者（比如加州大学SantaCruz分校自适应光学中心）。对点光源，AO系统将观测时间的增益从D2提升到了D4（由于点扩散函数覆盖范围的缩小）——这意味着与凯克相比，TMT可将观测时间缩短为原来的1/100而不是1/10。效率上的巨大进步使得我们能够对近邻和遥远的宇宙开展一些目前其他任何地面和空间望远镜都做不到的前沿研究。3.2TMT科学仪器目前的TMT计划中包括8个科学仪器，其中三个为第一优先的仪器（“EarlyLight”），其余五个为首个十年计划仪器（“FirstDecade”）。“EarlyLight”是在望远镜建成之初就会投入使用的，包括一套激光导星支持的自适应光学系统NFIRAOS(NarrowFieldInfraredAdpativeOpticsSystem)，可以在30角秒的视场内提供达到衍射极限的分辨率和很高的Strehl比率。它在1微米波段的空间分辨率为7毫角秒，几乎是哈勃空间望远镜