科學家的新一代天文台:打造直徑 30 公尺望遠鏡

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 26 日 0:00 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


運用最新科技興建大型光學天文望遠鏡的計畫,一直是天文學家追求的目標。目前世界最大的光學望遠鏡是美國兩座凱克望遠鏡(Keck Observatory),主鏡片各有 10 公尺,1996 年完工,也是 20 多年前的科技了。

關於 30 公尺望遠鏡(Thirty Meter Telescope,TMT)的設計與規畫,早在 2000 年代左右便已開始進行。這座正在興建的 30 公尺望遠鏡,預計將耗資約 24 億美元 (約新台幣 720 億元)打造。

30 公尺望遠鏡的最新科技

要裝下 30 公尺大的鏡片,天文台會是相當巨大的建築物,這也是 30 公尺望遠鏡最吸引人的特色之一。

望遠鏡的光圈將會和圓頂上方的「洞」相對應,這個可以移動的「洞」,可以大幅降低周遭的光害,並增進遠方光線的敏感度。圍繞在天文台建築物四周的「百葉窗」,可平衡望遠鏡內外的溫度與濕度,自然減少建築物對觀測活動的干擾,可說是天文界的「綠建築」!

望遠鏡主鏡片是由 492 片直徑 1.4 公尺的六角「鏡塊」組成直徑 30 公尺的大鏡片,而不是一體成形的單一鏡片。這種「鑲嵌」鏡片,除了能突破鍍造單一鏡片的技術極限,更能大幅減少鏡片形變造成的影響。完工後的 30 公尺主鏡片,面積與集光力將是上述凱克望遠鏡的 9 倍,意思是科學家可用同樣的時間,觀測到亮度 9 倍弱的遙遠光源。

(Source:MT International Observatory

除了可看到極微弱的光線,靠著「適應光學」(adaptive optics)系統,30 公尺望遠鏡也有極高解析度。適應光學為運用人工雷射的「導航星」(guided stars)即時修正大氣干擾的系統,密布「附著」在主鏡片背面,收到修正訊號後,運用微型馬達快速修正鏡片表面,以達到修正影像解析度的效果。

▲ 30 公尺望遠鏡的適應光學系統示意圖。光源從上方進入望遠鏡後,透過控制系統 (control system) 計算大氣擾動的幅度,並即時回報給可形變的鏡片 (deformable mirror) 進行修正。最後修正後的影像再由高解析度相機接收 (high-resolution camera)。(Source:TMT general brochure

適應光學系統其實已有 30 年左右歷史,但是 30 公尺望遠鏡運用的最新科技,使適應光學系統的精確度與速度都更優於其他大型望遠鏡。透過適應光學,30 公尺望遠鏡在近紅外線波長可達 8 微角秒 (milli-arcsecond) 左右解析度,這除了已經接近理論光學的「繞射極限」,更超越目前太空望遠鏡如哈伯太空望遠鏡的解析度。

30 公尺望遠鏡即將達成在地表也可以有太空望遠鏡等級的解析度,除了移除大氣層的影響,也免除建造與維護太空望遠鏡的昂貴成本。

30 公尺望遠鏡的科學

安裝在 30 公尺望遠鏡的儀器,將由 3 個「曙光儀器」(first-light instruments) 領軍:廣域可見光譜儀 (Wide Field Optical Spectrometer,WFOS)、紅外線影像光譜儀 (Infrared Imaging Spectrometer,IRIS) 與紅外線多物件光譜儀 (Infrared Multi-object Spectrometer,IRMS)。這 3 個曙光儀器將協助科學家校正與「操練」30 公尺望遠鏡的極限。

雖然設計為可見光光學望遠鏡,但 30 公尺望遠鏡能從短波長的紫外線一路觀測到長波長的中紅外線。除照片外,3 個曙光儀器也可以觀察天體的光譜。這些特色使 30 公尺望遠鏡有很大的科學潛力。

極高的集光力表示 30 公尺望遠鏡可觀測到極遠、亮度極微弱的天體,這對研究星系演化的天文學家來說,能觀測到大量的早期星系 (primordial galaxies) 與星團 (star clusters),由此可以解釋理論星系演化的許多模型。

極高的解析度使 30 公尺望遠鏡能產出低雜訊與高細節的照片。在高解析度的星系團照片,科學家可以透過「弱重力透鏡」(weak lensing) 效應,研究暗物質 (dark matter) 與宇宙學的理論模型。高解析度的星系中心照片,科學家則可研究黑洞吸積盤周圍物質受到黑洞什麼影響,進而證明或修正黑洞與廣義相對論的模型。在高解析度的恆星照片,可發現更多有更複雜軌道特性的「系外行星」(exoplanets)。

運用 30 公尺望遠鏡的紅外線儀器,科學家能「透視」可見光無法見到、充滿塵埃與氣體的星際間物質 (interstellar medium)。這些物質是孕育恆星與行星生成的「搖籃」,對了解太陽系生成過程有極大幫助。

30 公尺望遠鏡的光譜儀更能偵測到微弱的譜線,協助科學家尋找如星際間有機物等物質,最終也能為尋找外星生命有貢獻。

30 公尺望遠鏡與夏威夷

30 公尺望遠鏡最引人注目的,也許就是地點了。「要在哪裡建造天文台」是個重要議題,30 公尺望遠鏡團隊總共挑選南北半球五處地點探勘(包含智利兩處,墨西哥、西班牙與夏威夷各一處),最後由夏威夷獲得一致青睞。

夏威夷也許是觀光勝地,有夏季海島型氣候。但在其中「大島」(Big Island),有標高 4,207 公尺的茂納基亞火山 (Mauna Kea),山上氣溫往往接近零度,冬天更是天天破零。因為山頂乾燥、寒冷與穩定的氣候,早有許多大型天文台常駐於此。

30 公尺望遠鏡除了提供天文學家進行更大量與精密的研究,對夏威夷當地經濟發展也充滿潛力。

夏威夷經濟收入來源主要為觀光業,每年約有 700 萬美元(約新台幣 2.1 億元)觀光收入與天文產業有關。如果加上周邊產業,每年更有約 1.67 億美元(約新台幣 50 億元)利潤。

30 公尺望遠鏡的建造過程,預計可提供 300 多個工作機會,完工之後更會提供 140 個永久職位,加上觀光客增加帶來的額外收入,預計每年可為夏威夷帶來約 260 萬美元(約新台幣 8 千萬元)利潤。

可是,30 公尺望遠鏡的建造早從動土開始就碰到一連串阻礙。茂納基亞火山位在自然保護區裡,附近有相當多雨林、冰河與火山地形,也經是電影《侏羅紀公園》取景地之一。人文方面,這座火山更是夏威夷原住民的聖山,就算山頂蓋了 13 座天文台,只再多蓋一座更大型的,還是讓許多人難以接受。

從 2014 年 10 月開始,當地保育團體與原住民開始阻礙望遠鏡工程,後來更演變為長期請願運動「Puʻuhonua o Puʻuhuluhulu」,使 30 公尺望遠鏡興建被迫暫停。

▲ 當地人士舉著「我們永遠不會放棄。30 公尺望遠鏡不會建造」的布條抗議。(Source:Puʻuhonua o Puʻuhuluhulu

「Puʻuhonua o Puʻuhuluhulu」網站首頁明寫,「除非 30 公尺望遠鏡離開夏威夷,否則我們不會離開茂納基亞火山。」

30 公尺望遠鏡命運未卜,但趁著疫情空檔,讓我們反思,如果明天要投票,你會投文化保存,還是尖端科學呢?

(首圖為 30 公尺望遠鏡完工時想像圖;來源:TMT

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