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天文学家与居民抢"圣山" 最牛光学望远镜建设遇阻

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莫纳克亚山天文台群 IC 图

  就在前一阵子,一位夏威夷原住民活动家在路中央躺了整整11个小时,目的是阻止科学家兴建一台新的大型望远镜——30米望远镜(Thirty Meter Telescope,TMT)。

  这台望远镜的主镜直径为30米,是目前全球最大可见光望远镜的三倍。它将使天文学家看得更深、更远、更清晰。

  一台肩负重大科学使命的望远镜为何频频被拦截?如果TMT的兴建一直推迟将带来哪些影响?

  “下一个时代的主宰”却屡遭推迟

  TMT是一台地基、光学—红外的望远镜,其台址选定于夏威夷莫纳克亚山。“TMT将是开创望远镜下一个时代并主宰未来数十年光学天文观测的望远镜之一。”中科院国家天文台副研究员、TMT项目组成员沈志侠告诉科技日报记者。

  TMT主要在光学和红外波段工作,它和另外两台下一代30米级望远镜都是国际合作的产物。TMT建设各方包括美国加州大学、加州理工学院、日本国立天文台、中科院国家天文台、印度科技部和加拿大国家研究委员会等。我国有十余家科研院所和大学参与研发。

  “由于TMT是光学望远镜,其镜面加工精度要达到10-7米,相当于一根头发丝直径的百分之一,建设难度非常大,计划经费是14亿美元。”沈志侠说。

  “这样拖延下去,时间、精力和经费成本都会相应增加。而TMT的兴建意义深远,科学家们都希望能早点用上,以实现相应的科学目标。”中科院上海天文台研究员刘庆会对抗议行为颇感无奈。

  “另外,TMT是一个国际合作项目。拖延时间太长,可能导致某些国家中途退出。至少,参与TMT建设的国家都希望顺利建成并尽快投入使用。”刘庆会说。

  实际上,莫纳克亚山是科学家在全球经过5年寻觅才定下的理想场地。然而,抗议活动已使TMT的建设推迟了5年。尽管夏威夷最高法院已裁定TMT的建设合法,并且颁发了许可证,还帮助建设望远镜的公司加快恢复其努力成果。但反对者的行动让TMT的建设举步维艰。

  为何莫纳克亚山是最优选择

  刘庆会称:“天文学家希望TMT能帮助他们研究宇宙大爆炸后宇宙中最早的时刻,以及识别太阳系外的更多行星。”

  但根据夏威夷大学的说法,古代夏威夷人认为,只允许最高级别的酋长和牧师长途跋涉至莫纳克亚山顶。“反对者认为,莫纳克亚山是‘圣山’,在其山顶兴建望远镜是让‘圣山’蒙羞。”

  既然多番受阻,为何还要坚持在莫纳克亚山兴建TMT呢?据报道,莫纳克亚山海拔4000多米,空气清澈,光污染少,是世界上研究天文的最佳地点之一。截至目前,莫纳克亚山顶坐落着13台正在工作的望远镜,国际著名的8—10米级望远镜中,有4台就坐落于此,其中包括美国8.1米的北半球双子座、日本的8.3米昴星团等望远镜。

  莫纳克亚山覆盖着类似火星表面的红色土壤,几乎找不到任何植被。来自太平洋的反气旋在莫纳克亚山海拔2000米的半山腰生成了一个近似“空气墙”的逆温层,阻隔了低海拔空气、水汽以及尘埃向高海拔的运动,保证了山顶异常优良的视宁度和大气结构。

  刘庆会提到,莫纳克亚山顶上方的云量以高空卷云为主,总体云量的情况相对通常的大陆型台址要好很多。

  2018年一项独立民意调查表明,72%的夏威夷原住民(仅限登记选民)支持修建TMT,23%反对,3%不确定。“只不过支持者往往是沉默的,他们的声音远比不过反对者的热闹与喧嚣。”国家天文台副研究员、TMT项目组成员冯麓坦言,倘若夏威夷的建设环境得不到改善,与其陷入漫长的僵持,不如更换台址。

  西班牙拉帕尔马岛是TMT第一备选台址。“拉帕尔马岛的晴夜数、视宁度等多个最重要的台址参数与莫纳克亚山不相上下,主要的缺点在于低海拔水汽含量较高,会影响中红外目标的观测。”沈志侠告诉记者,拉帕尔马岛每年可能有1—2周发生沙尘暴,影响观测时间。

  而且,观测地址发生改变也意味着TMT的设计需要做出一定调整。“莫纳克亚山当前仍是TMT国际天文台的首选。”沈志侠说。

  纬度和云量是台址选择关键

  望远镜的选址并非易事,通常需要花费好几年的时间。冯麓表示,在建望远镜之前,科学家首先要分析,自己想要看什么,以及现在的望远镜能不能看到。看不到的话,应该造一个什么样的望远镜?

  当望远镜类型确定后,就要考虑给它“安家”。就像找房子需要列出一二三项,望远镜的选址不是拍拍脑袋的事。冯麓说:“台址要能帮助望远镜做到三条,一是看得见,二是看得深,三是看得更清晰。越远的天体越暗弱,能否看到这些天体,取决于望远镜及其台址的综合能力。”

  而对于夜天文的光学红外望远镜,台址的纬度和云量是关键。

  从纬度上看,天文台台址最明显的差别是南北半球之分。在地球上,我们其实是“歪”着看向银河系中心的。“这个朝向使得在南半球所对应的南天可以看到更多银河系内的天体,尤其是更多的恒星。而在北半球对应的北天,可以看到的银河系内的天体相比南天要少。但由于银河系造成的遮挡相对更少,借助望远镜就可以看到银河系外天体。”冯麓解释道。

  从云量上看,台址所在区域的天顶云量越少,望远镜的观测条件越好。“台址的晴夜数大致决定了望远镜正常工作一年能实际观测的时间。”刘庆会表示,大气中的水汽含量多会影响望远镜的观测,所以一个优良的光学红外天文台址通常选在干旱、高海拔、少植被的地区。

  “天光背景暗、空气稀薄宁静、水汽少、晴夜数多,是一个优良光学红外望远镜需要满足的条件。”刘庆会总结道,这也是世界上最好的光学望远镜选在莫纳克亚山和阿塔卡玛沙漠的原因。

  需要注意的是,由于人类活动会造成空气中存在大量灰尘、污染物,以及人为光造成的光污染,光学红外望远镜通常在远离人口密集区域的地方。

  “不过,不能太偏僻,要有一定的基础设施条件,否则建设和运维成本较大。”刘庆会表示。

  “此外,不同类型的望远镜对台址的要求会有差别,比如光学望远镜注重大气条件,射电望远镜则需要避免无线电干扰,还有些波段的观测只能在太空中进行。总而言之,望远镜选址是一件十分复杂的事情。”沈志侠说。

  几位专家均表示,希望TMT能尽快开工。

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