深入前所未見的宇宙

在伽利略用自制望遠(yuǎn)鏡徹底變革了人類宇宙觀念之后的400年，一架正在建造的巨型望遠(yuǎn)鏡將會(huì)給人類帶來有關(guān)宇宙的更多、更新、更深層的認(rèn)識(shí)。這架坐落于夏威夷莫納克亞火山頂上的30米望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃（TMT）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(shí)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(yuǎn)的結(jié)構(gòu)———至今還沒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(duì)太陽系外行星的搜尋和探測(cè)，同時(shí)還能惠及對(duì)宇宙中第一代星系的研究。“我們知道的越多，宇宙就變得越神秘，這就需要人類更多的創(chuàng)造力。”TMT項(xiàng)目科學(xué)家、美國(guó)加利福尼亞州大學(xué)圣克魯茲分校的杰里·納爾

遜如是說。

開創(chuàng)新天文學(xué)

截止到2011年5月20日，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了551個(gè)太陽系外行星的候選者，其中還有超過200個(gè)行星系統(tǒng)。它們中的大部分是通過探測(cè)行星對(duì)其宿主恒星在觀測(cè)者視線方向上的引力攝動(dòng)而被發(fā)現(xiàn)的，這一方法被稱為視向速度方法。目前，這一方法主要適用于搜尋極為靠近宿主恒星的熱類木星。但如果要找到位于低溫矮星周圍宜居帶中的巖質(zhì)類地行星，現(xiàn)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(yuǎn)鏡需要1小時(shí)～3小時(shí)才能得到可信的視向速度數(shù)據(jù)，這大大限制了觀測(cè)的效率。考慮到行星系統(tǒng)的多樣性，必須要對(duì)數(shù)百顆恒星進(jìn)行觀測(cè)之后方能真正得到近距巖質(zhì)類地行星的可靠比例。而TMT在這方面的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)了出來：它比凱克望遠(yuǎn)鏡大9倍的集光能力使得其每次視向速度觀測(cè)所需的時(shí)間只有幾分鐘，在一年里可以觀測(cè)數(shù)千個(gè)行星候選者。

除了視向速度觀測(cè)之外，TMT還將使得人類第一次能經(jīng)常性地對(duì)系外行星進(jìn)行直接成像觀測(cè)，收集它們大氣活動(dòng)和化學(xué)性質(zhì)的信息：通過星冕儀和高精度天體測(cè)量技術(shù)，TMT可以探測(cè)距離宿主恒星相對(duì)較遠(yuǎn)的年輕高溫類木行星。其中，來自遙遠(yuǎn)行星系統(tǒng)的星光包含了行星及其宿主恒星的輻射。從地球上看，當(dāng)行星從恒星前方經(jīng)過時(shí)，恒星所發(fā)出光中的一部分會(huì)穿過行星的大氣。此時(shí)，由行星大氣分子造成的吸收特征就會(huì)在恒星的光譜中顯現(xiàn)出來，據(jù)此就能測(cè)定出行星的大氣成分。TMT除了將幫助我們確定銀河系中類似地球的行星究竟有多罕見之外，還能幫助我們推斷出在銀河系的其他地區(qū)是否也存在類似地球上的生命。

未來的TMT將會(huì)看到之前任何一架望遠(yuǎn)鏡都無法看到的早期宇宙———直達(dá)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(rèn)為，在大爆炸的光輝褪去之后，宇宙進(jìn)入了一個(gè)長(zhǎng)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(xiàn)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(qiáng)烈的輻射，電離周圍的原初氦。這些氣體產(chǎn)生的特征發(fā)射線可以作為第一代恒星的示蹤器。而TMT可以看到紅移達(dá)14的星系的這些譜線，驗(yàn)證先前根據(jù)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(yù)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，引力開始把暗物質(zhì)聚集成團(tuán)，構(gòu)筑起宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。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(qū)域積聚。不過，這一原初引力成團(tuán)的細(xì)節(jié)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，以及在吸積盤中落向黑洞的物質(zhì)其溫度是否會(huì)高到足以產(chǎn)生X射線……沒有人知道哪類天體率先開始發(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(duì)于這些問題，TMT興許可以為我們提供一些線索。

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(yuǎn)超目前最大望遠(yuǎn)鏡的鏡面，用以收集來自宇宙邊緣的微弱信息。然而，建造直徑30米的望遠(yuǎn)鏡主鏡絕非易事！ 在20世紀(jì)70年代末，天文學(xué)家遇到了一個(gè)問題：天文望遠(yuǎn)鏡的尺寸已經(jīng)無法滿足他們的要求了。為了能更深入宇宙的過去，他們需要更大的望遠(yuǎn)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(xiàn)。

最終找到破解這一關(guān)鍵問題辦法的，是一名誰也沒有想到的物理學(xué)家，他就是美國(guó)加利福尼亞州大學(xué)伯克利分校的納爾遜。“在演講時(shí)，他平淡的風(fēng)格會(huì)讓你覺得他正在推銷一種新的市政下水道合同，而不是世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，”美國(guó)《洛杉磯時(shí)報(bào)》評(píng)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題的天賦。”

納爾遜設(shè)計(jì)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(guó)夏威夷的兩架10米凱克望遠(yuǎn)鏡的建造基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)人們都認(rèn)為這個(gè)想法風(fēng)險(xiǎn)極大，也沒有人相信它會(huì)成功，但納爾遜做到了。

在過去的100年里，望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)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(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向了使用鏡

面的反射望遠(yuǎn)鏡。1908年，美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)的1.5米望遠(yuǎn)鏡拉開了這一階段的序幕，隨后是1917年2.5米的胡克望遠(yuǎn)鏡和1948年美國(guó)帕洛瑪天文臺(tái)的海爾望遠(yuǎn)鏡；而凱克望遠(yuǎn)鏡則開啟了通過拼接鏡面建造望遠(yuǎn)鏡的下一個(gè)時(shí)期。也正因?yàn)槿绱耍绹?guó)加利福尼亞州大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家桑迪·費(fèi)伯把納爾遜稱為“現(xiàn)代伽利略”。

實(shí)際上，納爾遜的方法和其他拼接鏡面設(shè)計(jì)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(yuǎn)鏡高一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到492塊，并通過復(fù)雜的計(jì)算機(jī)制導(dǎo)系統(tǒng)使其整體運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，即使望遠(yuǎn)鏡主鏡面的問題得到解決，它仍要克服一個(gè)所有地面望遠(yuǎn)鏡都要面對(duì)的難題———大氣湍動(dòng)。

看得更深、更遠(yuǎn)

400年前，當(dāng)伽利略用他的望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星時(shí)，沒有想到這個(gè)小望遠(yuǎn)鏡的后裔居然可以窺視宇宙的邊緣。當(dāng)時(shí)，伽利略手工制造的望遠(yuǎn)鏡口徑只有4.4厘米，而且透鏡的質(zhì)量很差，無法分辨小于10角秒的細(xì)節(jié)———相當(dāng)于300米外一枚銀幣所張的角。因此，伽利略無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(dá)到0.005個(gè)角秒。

但是，用過望遠(yuǎn)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，無論口徑有多大，沒有望遠(yuǎn)鏡的分辨率可以達(dá)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。從分辨率的角度來說，世界上最大的望遠(yuǎn)鏡并不比天文愛好者手中的幾十厘米望遠(yuǎn)鏡好到哪里去。

現(xiàn)在不同了。通過自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)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(dá)到衍射極限的完美程度。為了使光線重回“正途”，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)必須要做兩件事：在每一個(gè)瞬間測(cè)量出所有的影像畸變，然后通過望遠(yuǎn)鏡光路上的器件來校正這些畸變。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)幫助TMT實(shí)現(xiàn)“看得更深、更遠(yuǎn)”的目標(biāo)，包括使用鈉激光產(chǎn)生的人造引導(dǎo)星來探測(cè)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，對(duì)于TMT而言，傳統(tǒng)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)并不能簡(jiǎn)單地照搬到它身上。如果你把TMT對(duì)準(zhǔn)一個(gè)星系，來自星系的光會(huì)穿過直徑30米的圓柱形空氣柱。然而，來自引導(dǎo)星的星光僅僅位于90千米的高空，無法貫穿整個(gè)空氣柱。相反，它僅能覆蓋底面直徑為30米的圓錐形區(qū)域。因此，圓柱里、圓錐外的大氣湍流就無法被測(cè)量，星系的影像不會(huì)完全得到修正。而新的多重共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)將通過使用多重引導(dǎo)星、波前傳感器和彈性鏡面來解決這個(gè)問題，同時(shí)也克服了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)大小的限制。

沒有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，地面望遠(yuǎn)鏡根本無法和哈勃這樣的空間望遠(yuǎn)鏡相比。納爾遜把這一關(guān)鍵技術(shù)稱為“望遠(yuǎn)鏡的心臟和靈魂”。

納爾遜預(yù)言，在不太遙遠(yuǎn)的未來我們還將看到50米和100米望遠(yuǎn)鏡。但這并不意味著這些望遠(yuǎn)鏡容易實(shí)現(xiàn)。預(yù)計(jì)10億美元的成本使得TMT必須尋求國(guó)際合作。“TMT將要做出的發(fā)現(xiàn)會(huì)增加我們對(duì)能力更強(qiáng)大、更大望遠(yuǎn)鏡的渴望”，納爾遜說，“因此只要我們保留好奇心并且擁有建造這些設(shè)備的資金，我認(rèn)為我們會(huì)見到更巨大的東西。”（張小寧插圖）