未来天文研究的利器——在建极大型望远镜展望
发布时间:
2022-11-09 10:20
修改时间:
2022-11-09 10:20
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天文学发展仰赖于科学数据的积累,而科学数据的源源不断则与望远镜技术的进步密切相关。性能优越的望远镜带领人类望向更深邃的宇宙,助力获取更丰富的天文数据,刷新我们对宇宙的认知。近期,我们将推出关于世界知名望远镜的系列专题,一起来了解一下它们吧。

2021年12月25日,韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)在法属圭亚那的欧洲空间局库鲁基地由阿丽亚娜5号火箭搭载顺利发射升空。JWST将接替已经工作32年的哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope,HST)的任务,为天文学家提供极高质量的光学与近红外观测数据。空间望远镜相比于地面望远镜有着不受地球大气干扰的优势,但望远镜口径受限于运载火箭尺寸限制无法做得很大。随着科学技术的进步,自适应光学技术在大型望远镜上的应用减弱了大气对观测的影响,拼接镜面和主动光学技术使得天文学家可以建造口径更大的地基望远镜,因此建造中的地基极大型望远镜仍然非常值得期待,它们将为科学家带来不逊于空间望远镜的极佳观测数据。

极大型望远镜是指直径大于20米的望远镜,且其观测波段包括紫外、可见光和近红外波段(其它工作波段的望远镜可以大得很多,例如射电波段的FAST直径为500米)。这些望远镜有一定数量的特点和共同性,特别是主镜都使用了拼接镜面技术和自适应光学系统。目前正在建造中的极大型望远镜有直径39.3米的特大望远镜(ELT),30米的30米望远镜(TMT)和25.4米的巨麦哲伦望远镜(GMT)。

在2021年11月4日,美国国家科学、工程和医学研究院发布了一项10年调查,列出了未来10年天文学和天体物理学研究的科学重点和资助建议,这份名为《21世纪20年代天文学和天体物理学的发现之路》的文件确定了天文学应重点关注的三个首要项目,分别为:宜居系外行星的发现和研究、作为早期宇宙窗口的黑洞和中子星的研究、对星系起源和演化的更好理解。文件还建议对大型地面望远镜进行关键投资,即:资助、保证极大望远镜TMT和GMT顺利进行和完工。ELT由欧南台(ESO)主持,主要由欧盟资助建造,它是在建的口径最大的光学望远镜。这三架极大望远镜将在未来几十年乃至更长的时间里为科学进步创造巨大的机会,它们将有能力解决以上提到的三个优先科学领域的所有重要科学问题。

以下我们分别简介这三架望远镜的基本信息和初光后一段时期内所使用的第一代主要科学仪器设备,来初步展示它们强大的“威力”。

 

一、特大望远镜(ELT)

位于智利阿马索内斯山区的特大望远镜(Extremely Large Telescope,ELT)是欧南台(ESO)正在建造中的地基光学天文望远镜,其主镜直径为39.3米,由798个六边形小镜面拼接而成,集光面积达到了978平方米,建造完成后将成为世界上最大的光学望远镜。它的集光能力将比现在最大的光学望远镜——加那利大型望远镜(GTC,直径10.4米)强15倍,比单架甚大望远镜(VLT,直径8.2米)强26倍,比当年伽利略制造的望远镜强八百万倍,比人类肉眼强1亿倍。它的光学系统为独创的五镜面系统,这种先进的自适应光学系统可以大幅减少大气湍流的影响,显著提高图像的光学质量。ELT预计2027年3月初光,9月份产生第一批科学数据。

图1  特大望远镜(ELT)概念图

 

科学仪器对任何望远镜都是至关重要的,它关系到望远镜能不能顺利完成预期的科学任务和目标。ELT第一代仪器有四个,第二代仪器有两个。另外,还有一个地外行星相机和光谱仪也会尽快开始建设。现在我们先介绍它将会配备的第一代仪器。

  • Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations(MICADO)

它能够在近红外波段拍摄高分辨率星象,非常适合用于系外行星搜寻、认证,也可以用于河外星系中恒星的分辨以及探索银河系中心神秘区域。它的窄滤波片IZYJHK覆盖范围是0.8至2.45微米,视场大小为250(50.5×50.5)平方角分或者361(19×19)平方角分。

  • Multiconjugate adaptive Optics Relay For ELT Observations (MORFEO)

它是一个多共轭自适应光学仪器,能够抵消地球大气湍流等日常光线折射弯曲带来的天文图像模糊等影响。它本身自己不做观测,而是保证其他仪器正常稳定使用,如MICADO。目前在建的极大望远镜都用到了自适应光学系统。

  • High Angular Resolution Monolithic Optical and Near-infrared Integral field spectrograph(HARMONI)

它非常强大且“多才多艺”,既可以研究遥远的星系、高能的类星体和伽马射线暴,也可以研究近邻星系中的单个恒星以及银河系中的太阳系外行星。它的波长覆盖范围是0.47至2.45微米,不同模式下的光谱分辨率为3500、7500和18000,它的视场大小是可调节的,可以根据科学目标来选择视场大小。

  • Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph(METIS)

它非常适合研究原行星盘、地外行星、太阳系内天体、恒星以及活动星系核等等。它强大的光谱仪和高对比度的成像仪能够在太阳系邻域和遥远的太空发现令人瞩目的成果,有望解开宇宙中最神秘的难题。它的成像仪波长覆盖范围是3至13微米(配有低分辨率和高分辨率光谱仪),不同模式下光谱分辨率为400、1500、1900和100000,视场最大约为10角秒。

 

二、30米望远镜(TMT)

30米望远镜(Thirty Meter Telescope, TMT)是一座由美国、加拿大、日本、中国、巴西、印度等国参与建造的地面大型光学望远镜。和ELT类似,其主镜是一块由492块六边形镜面拼接所组成的分割式主镜,30米的主镜直径仅次于ELT的39.3米,并配备有自适应光学系统,其工作波段包括可见光与近红外。在波长大于800纳米的范围内,自适应光学系统使它的图像清晰度比哈勃空间望远镜高10倍,巨大的主镜使它的观测清晰度比现有大型地面光学望远镜高10至100倍。该计划的花销估计在9亿7千万美元至12亿美元之间,预计2027年才能全部建成并投入使用。

图2   30米望远镜(TMT)概念图

 

正在建设中的TMT在第一代将配有三个仪器,第二代计划配四个仪器,这四个仪器目前还没有制作完毕,还有一个仪器可以称作第三代仪器,它的科学意义正在被验证。下面,我们先来介绍第一代的三个仪器。

  • Infrared Imaging Spectrograph(IRIS)

IRIS成像的波段为Y, Z, J, H, K,光谱覆盖的波长范围是0.84-2.4微米,不同模式下光谱分辨率为4000、8000或者10000。它产出的科学数据涵盖了太阳系外行星、星系、引力透镜、恒星形成和演化等多个领域。

  • Wide field optical spectrograph(WFOS)

WFOS可覆盖波长范围为0.31至1微米,具有紫外波段成像和光谱测量的能力,能提供25.5平方角分的视场,并且能够在对单个目标进行长狭缝观测同时对数百个不同目标进行短狭缝观测。WFOS擅长的科研方向包括:高红移星系际介质的层析成像、高红移星系在静止系的紫外特性、伽马射线暴、超新星、潮汐耀斑、暗能量等。

  • Multi-Objective Diffraction-limited High-Resolution Infrared Spectrograph(MODHIS)

MODHIS覆盖波长范围是0.95至2.4微米,光谱分辨率约为100000。使用MODHIS能够进行太阳系外行星大气和质量、恒星与行星的形成、星系形成和宇宙学等方面的研究。

 

三、巨麦哲伦望远镜(GMT)

巨麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope,GMT)它位于智利拉斯坎帕纳斯天文台,预计在2025年完工启用,它由7个直径8.4米的主镜组成。GMT将观测可见光和近红外波段(320–25000 nm),其具有24.5米直径主镜的解析能力,以及相当于22.0米直径主镜的集光面积(约为368平方米),并且预计在其初光使用时将成为世界上最大的光学望远镜。GMT项目由美国主导,澳大利亚、巴西和韩国参与合作,智利为地主国。

图3  巨麦哲伦望远镜(GMT)概念图

GMT可以容纳多达十台仪器,每一个仪器都能将光分解成光谱,都有独特的探索未知事物的能力:从分析遥远行星的大气层寻找生命,到追寻宇宙最初形成的时期。它们的发现可以改写我们所知道的历史,接下来我们介绍GMT四个强有力的科学仪器。

  • Giant Magellan Telescope Consortium Large Earth Finder(G-CLEF)

第一个被安装、使用的仪器,是一个高分辨率的阶梯光栅光谱仪,波长覆盖范围是3500至9500埃,光谱分辨率为19000,35000和108000。它能够获得精确的速度和金属丰度信息,用来测量太阳系外行星的质量、搜寻地外生命特征、研究类星体、搜寻最古老的贫金属恒星等等,还能够进行其他相关方向的研究,如宇宙的精细结构和化学演化、暗物质、恒星的金属丰度和同位素等等。

  • Giant Magellan Telescope Multi-object Astronomical and Cosmological Spectrograph(GMACS)

第二个安装的仪器,是一个中、低分辨率光谱仪,波长覆盖范围是3200至10000埃,光谱分辨率是1000至6000,视场约为300平方角分。它非常适合研究星系的演化、星系际介质、恒星的出生和死亡、引力波、星系红移巡天等科学目标。

  • Giant Magellan Telescope Integral-Field Spectrograph (GMTIFS)

第三个安装的仪器,是一个中分辨率集成视场光谱仪,具有很高的空间分辨率,也是GMT第一个自适应光学仪器,波长覆盖范围是0.9至2.5微米,光谱分辨率为5000或者10000,视场为400(20×20)平方角分。它可以研究星系演化(包括密集场中的)方面的课题并且包括黑洞和宇宙再电离方向,如第一代星系的结构、大质量黑洞的质量物理性质和星系核、恒星与行星的形成过程等等。

  • Giant Magellan Telescope Near-IR Spectrograph (GMTNIRS)

是一个单目标高分辨率阶梯光栅红外光谱仪,波长覆盖范围是1.1至5.4微米(同时覆盖整个JHKLM波段),在JHK波段光谱分辨率是65000,LM波段的光谱分辨率是85000。它很适合在窄视场上成像明亮的天体,以此来研究行星系统、碎片盘、小恒星、木星、大质量行星和深空其他近红外物体的形成。当GMT使用自适应光学观察模式时才会启用此仪器工作。

 

小  结

这三座正在建造的极大型望远镜的基础构型均为反射式,且均使用了拼接镜面与自适应光学技术,但ELT和TMT的主镜由六边形镜面拼接而成,GMT则是由7块直径8.2米的圆形主镜拼接而成。在这三座望远镜中,ELT的主镜直径最大,TMT次之,GMT在其中最小,但即使是GMT也远大于现有的最大单一主镜望远镜:加那利大型望远镜(GTC),也大于四台甚大望远镜(VLT)同时观测时的等效直径。另外,ELT与GMT均坐落于南半球的智利,而TMT坐落于北半球的美国夏威夷,因此它们将分别着重于对南天和北天的不同天文目标进行观测。中国参与了TMT望远镜建设,因此国内天文工作者有望在TMT的观测数据发布的较早时期接触、使用TMT数据,由此产出新的天文学研究成果。三座极大望远镜更多细节可参考每个望远镜的官方网站。

望远镜官网 

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Yang Hanxi
(文章编辑:
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