在伽利略用自制望遠鏡徹底變革了人類(lèi)宇宙觀(guān)念之后的400年，一架正在建造的巨型望遠鏡將給人類(lèi)帶來(lái)有關(guān)宇宙的更多、更新、更深層的認識。
上圖是架坐落于夏威夷莫納克亞火山頂上的30米望遠鏡計劃（TMT），預計在2018年完工，一旦建成，將使天文學(xué)家能更清晰地看到暗弱的天體，并將能夠識別出即便在哈勃極深場(chǎng)中看上去仍然很模糊的、極為遙遠的結構——至今還沒(méi)有人知道這些天體到底是什么。這一新的分辨能力將加大對太陽(yáng)系外行星的搜尋和探測，同時(shí)還能惠及對宇宙中第一代星系的研究。TMT項目科學(xué)家、美國加利福尼亞州大學(xué)圣克魯茲分校的杰里·納爾遜說(shuō)：“我們知道的越多，宇宙就變得越神秘，這就需要人類(lèi)更多的創(chuàng )造力?！?/font>
開(kāi)創(chuàng )新天文學(xué)
截止到2011年5月20日，人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現了551個(gè)太陽(yáng)系外行星的候選者，其中還有超過(guò)200個(gè)行星系統。它們中的大部分是通過(guò)探測行星對其宿主恒星在觀(guān)測者視線(xiàn)方向上的引力攝動(dòng)而被發(fā)現的，這一方法被稱(chēng)為視向速度方法。目前，這一方法主要適用于搜尋極為靠近宿主恒星的熱類(lèi)木星。但如果要找到位于低溫矮星周?chē)司訋е械膸r質(zhì)類(lèi)地行星，現有視向速度方法的靈敏度還需要提高至少10倍。
為此，凱克望遠鏡需要1小時(shí)～3小時(shí)才能得到可信的視向速度數據，這大大限制了觀(guān)測的效率?？紤]到行星系統的多樣性，必須要對數百顆恒星進(jìn)行觀(guān)測之后方能真正得到近距巖質(zhì)類(lèi)地行星的可靠比例。而TMT在這方面的優(yōu)勢就體現了出來(lái)：它比凱克望遠鏡大9倍的集光能力使得其每次視向速度觀(guān)測所需的時(shí)間只有幾分鐘，在一年里可以觀(guān)測數千個(gè)行星候選者。
未來(lái)的TMT將會(huì )看到之前任何一架望遠鏡都無(wú)法看到的早期宇宙———直達宇宙“黑暗時(shí)代”之后第一代恒星和星系的形成時(shí)期，并直擊宇宙中的“第一縷光”。有理論認為，在大爆炸的光輝褪去之后，宇宙進(jìn)入了一個(gè)長(cháng)期的“黑暗時(shí)代”。最終，低溫物質(zhì)聚集坍縮形成了第一代恒星和星系，出現了第一縷光。
第一代星系包含有從原初氣體中形成的第一代大質(zhì)量恒星，其中星族Ⅲ恒星會(huì )以超新星爆發(fā)的形式為宇宙制造出第一批重元素——作為大質(zhì)量的熱源，它們會(huì )發(fā)出強烈的輻射，電離周?chē)脑鹾?。這些氣體產(chǎn)生的特征發(fā)射線(xiàn)可以作為第一代恒星的示蹤器。而TMT可以看到紅移達14的星系的這些譜線(xiàn)，驗證先前根據微波背景輻射偏振所做出的星族Ⅲ恒星的紅移在7～20之間的預言。這將為早期星系的演化提供一個(gè)新的、重要的限制。
此外，在黑暗時(shí)代中，引力開(kāi)始把暗物質(zhì)聚集成團，構筑起宇宙大尺度結構。其時(shí)，中性氫和氦原子會(huì )被暗物質(zhì)吸引，在密度最高的區域積聚。不過(guò)，這一原初引力成團的細節目前還鮮為人知，我們不知道是單顆恒星還是巨型黑洞先形成，恒星和黑洞是否都會(huì )產(chǎn)生高能光子，包括高溫、明亮的恒星是否會(huì )輻射出巨量的紫外線(xiàn)，以及在吸積盤(pán)中落向黑洞的物質(zhì)其溫度是否會(huì )高到足以產(chǎn)生X射線(xiàn)……沒(méi)有人知道哪類(lèi)天體率先開(kāi)始發(fā)出明亮的輻射，但有一件事情是肯定的：在幾億年之后，宇宙的燈光被點(diǎn)亮了。對于這些問(wèn)題，TMT興許可以為我們提供一些線(xiàn)索。
超大鏡面像蜂窩一樣拼接而成
為了攻克這些未知，TMT必須要有遠超目前最大望遠鏡的鏡面，用以收集來(lái)自宇宙邊緣的微弱信息。然而，建造直徑30米的望遠鏡主鏡絕非易事！在20世紀70年代末，天文學(xué)家遇到了一個(gè)問(wèn)題：天文望遠鏡的尺寸已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足他們的要求了。為了能更深入宇宙的過(guò)去，他們需要更大的望遠鏡。但是，直徑大于5米的鏡面會(huì )由于形變而產(chǎn)生扭曲的圖像，使得這一夢(mèng)想始終未能實(shí)現。
最終找到破解這一關(guān)鍵問(wèn)題辦法的，是一名誰(shuí)也沒(méi)有想到的物理學(xué)家，他就是美國加利福尼亞州大學(xué)伯克利分校的納爾遜?！霸谘葜v時(shí)，他平淡的風(fēng)格會(huì )讓你覺(jué)得他正在推銷(xiāo)一種新的市政下水道合同，而不是世界上最大的望遠鏡，”美國《洛杉磯時(shí)報》評論道，“然而，他是一個(gè)不屈不撓且有能力的科學(xué)家，擁有巧妙解決意料之外問(wèn)題的天賦?！?/font>
納爾遜設計出的解決方案是：先做36塊小鏡面，然后像蜂巢一樣把它們拼接到一起。這就是位于美國夏威夷的兩架10米凱克望遠鏡的建造基礎。當時(shí)人們都認為這個(gè)想法風(fēng)險極大，也沒(méi)有人相信它會(huì )成功，但納爾遜做到了。
在過(guò)去的100年里，望遠鏡的設計有兩個(gè)鮮明的階段。首先，天文學(xué)家從使用透鏡的折射望遠鏡轉向了使用鏡面的反射望遠鏡。1908年，美國威爾遜山天文臺的1.5米望遠鏡拉開(kāi)了這一階段的序幕，隨后是1917年2.5米的胡克望遠鏡和1948年美國帕洛瑪天文臺的海爾望遠鏡；而凱克望遠鏡則開(kāi)啟了通過(guò)拼接鏡面建造望遠鏡的下一個(gè)時(shí)期。也正因為如此，美國加利福尼亞州大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家桑迪·費伯把納爾遜稱(chēng)為“現代伽利略”。
實(shí)際上，納爾遜的方法和其他拼接鏡面設計已經(jīng)被證明極具可行性和靈活性，TMT也將使用相同的技術(shù)。TMT反射鏡所用的拼接鏡面比凱克望遠鏡高一個(gè)數量級，達到492塊，并通過(guò)復雜的計算機制導系統使其整體運轉。然而，即使望遠鏡主鏡面的問(wèn)題得到解決，它仍要克服一個(gè)所有地面望遠鏡都要面對的難題———大氣湍動(dòng)。
看得更深、更遠
400年前，當伽利略用他的望遠鏡首次發(fā)現木星的衛星時(shí)，沒(méi)有想到這個(gè)小望遠鏡的后裔居然可以窺視宇宙的邊緣。當時(shí)，伽利略手工制造的望遠鏡口徑只有4.4厘米，而且透鏡的質(zhì)量很差，無(wú)法分辨小于10角秒的細節———相當于300米外一枚銀幣所張的角。因此，伽利略無(wú)法分辨出土星的光環(huán)。而以TMT主鏡30米的直徑，它的分辨率可以達到0.005個(gè)角秒。
但是，用過(guò)望遠鏡的人都知道，地球上的大氣湍流會(huì )讓影像變得模糊。因此，無(wú)論口徑有多大，沒(méi)有望遠鏡的分辨率可以達到0.5角秒以上，甚至在山頂這種視凝度極好的地方也是如此。從分辨率的角度來(lái)說(shuō)，世界上最大的望遠鏡并不比天文愛(ài)好者手中的幾十厘米望遠鏡好到哪里去。
現在不同了。通過(guò)自適應光學(xué)系統時(shí)刻修正大氣擾動(dòng)所造成的圖像畸變，可以使星像還原到近乎達到衍射極限的完美程度。為了使光線(xiàn)重回“正途”，自適應光學(xué)系統必須要做兩件事：在每一個(gè)瞬間測量出所有的影像畸變，然后通過(guò)望遠鏡光路上的器件來(lái)校正這些畸變。
自適應光學(xué)系統會(huì )幫助TMT實(shí)現“看得更深、更遠”的目標，包括使用鈉激光產(chǎn)生的人造引導星來(lái)探測氣流的狀況，并把大氣湍流的信息傳遞給小型彈性鏡面，后者會(huì )實(shí)時(shí)糾正大氣的擾動(dòng)。不過(guò)，對于TMT而言，傳統的自適應光學(xué)系統并不能簡(jiǎn)單地照搬到它身上。
自適應光學(xué)系統，地面望遠鏡根本無(wú)法和哈勃這樣的空間望遠鏡相比。納爾遜把這一關(guān)鍵技術(shù)稱(chēng)為“望遠鏡的心臟和靈魂”。
納爾遜預言，在不太遙遠的未來(lái)我們還將看到50米和100米望遠鏡。但這并不意味著(zhù)這些望遠鏡容易實(shí)現。預計10億美元的成本使得TMT必須尋求國際合作?！癟MT將要做出的發(fā)現會(huì )增加我們對能力更強大、更大望遠鏡的渴望”，納爾遜說(shuō)，“因此只要我們保留好奇心并且擁有建造這些設備的資金，我認為我們會(huì )見(jiàn)到更巨大的東西?！?/font>
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