为什么天文学家试图制造大型望远镜

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原文来源：青木和光（国立天文台 TMT项目）

翻译：方圆

校译：余路汉

校对：梁美珍

美编：苏奕月

后台：库特莉亚芙卡 李子琦 胡永葳 董腾晨

原文链接：

https://www.nao.ac.jp/news/blog/2021/20211015-telescope.html

超大望远镜TMT（Thirty Meter Telescope）渲染图。

图片来源：日本国立天文台

10月2日也被称为“望远镜日”。1608 年的这一天，望远镜的发明者荷兰眼镜商 Lipperhey 为望远镜申请了专利。虽然专利没有通过，但其后伽利略・伽利莱用天文望远镜观察到了木星的卫星和构成银河系的恒星，完成了重大发现，所以仔细说来，那天是天文界很值得纪念的一天。

伽利略·伽利莱制作的天文望远镜的复制品。左边是放大倍数为14倍的望远镜，右边是放大倍数为20倍的望远镜。现存的仅此两台，收藏于意大利佛罗伦萨的博物馆。

图片来源：国际天文年 2009 日本委员会/日本国家天文台

望远镜和天文学的发展

从伽利略的发现开始，天文学随着望远镜的进步而不断发展，而望远镜进步的标志是它不断变大的尺寸。用大透镜或镜子收集的光越多，就越能发现到更暗的天体。这里的“暗”是指从地球上看是暗的，实际上它有可能是一个散发着强烈光束的天体，只是离我们太远了。也就是说，人们可以使用大型望远镜来观测比较远的天体。当然，大型望远镜也可以找到附近的暗（弱）星，而这些暗（弱）星可能会被小型望远镜忽略。

大型望远镜的另一个优势是能够详细识别天体（提高分辨率）。由于望远镜分辨率的提高，伽利略能够区分月球的陨石坑和银河系的星星，而且望远镜越大，它的这种能力就越高。

在 20 世纪，口径超过 1 米（几乎是收集光线的镜子的直径）的望远镜在天文学中得到了广泛的应用。1917年，美国建成了直径2.5米的望远镜，哈勃最终充分利用这台望远镜发现了河外星系和宇宙的膨胀。

介绍大型昴星望远镜

月光下闪耀的昴星望远镜和疏散星团“昴星团”（来源：日本国立天文台）原始大小

20世纪末，直径超过8米的大型望远镜进入人们视野。日本国家天文台的昴星望远镜就是其中之一。它并不是传统望远镜的放大版，而是实现了多项技术创新。在这些望远镜出现之前，电荷耦合器件（CCD）已经代替传统照片用于可见光的天文观测，将光探测效率提高了数十倍。大型望远镜收集的光如今可以完全得到利用没有浪费。此外，尽管望远镜倾斜时重力作用方向的变化，导致镜子会弯曲，但研究人员已经开发了通过薄而轻的镜子来校正形状的技术，并且也能为大型望远镜提高足够的分辨率。此外，采用克服了天体的光穿过地球大气层时波面受到干扰而使天体的图像模糊的问题的技术（自适应光学），从而使其能发挥出最大性能。

该望远镜的设计和建造充分发挥其潜力，在天文学的许多领域取得了突破。昴星望远镜一直在夜空中广阔的区域探索暗天体，并发现了许多在宇宙诞生后数亿年内诞生的星系。它们中也许还包括宇宙中诞生的第一批恒星。我们还通过使用自适应光学的观测成功地预测了太阳以外恒星周围的大型行星的外观。那么，在这些恒星附近是否有像地球这样的小行星呢？

超大型望远镜的规划

为了回答这些问题，我们需要一台分辨率和灵敏度更高的望远镜，建造一台直径为 30 米的望远镜已经在计划之中，其中之一就是TMT项目。在国际合作中，日本国家天文台在望远镜主体和主镜的生产中发挥着重要作用。

来自地球大气层的辐射是大型望远镜观测暗天体的障碍，避免这种情况的最佳方法是将望远镜发射到大气层之外。事实上，美国宇航局花费大量精力和金钱准备的詹姆斯韦伯太空望远镜即将发射，研究人员对此寄予厚望。它的口径是6.5米，TMT 可以实现更高的分辨率。天体的图像会因此变得更加清晰，同时，由于减少了来自大气的干扰辐射，可以完成更加清晰的的观测。

望远镜尺寸比较。TMT镜面直径30米，包括492个小镜面（分体镜）。詹姆斯韦伯太空望远镜（计划于 2021 年 12 月发射）是哈勃太空望远镜的后继者，其镜面直径为 6.5 米（18 个分裂镜）。

图片来源：日本国立天文台

使用自适应光学进行观测是关键，但这也取决于望远镜的安装环境。由于天体光通过的大气中的水蒸气是个障碍，因此需要一个干燥、高海拔、大气波动小且稳定的环境。最能满足这个要求的地方是夏威夷大岛上的莫纳克亚山，这里是北半球安装昴星望远镜最好的位置。TMT还计划在莫纳克亚建造。莫纳克亚山是夏威夷文化和历史上的一个特殊区域，虽然在那里建造望远镜等项目还有诸多困难，但我们希望能够获得当地人民的理解和支持，完成建设。

以TMT 为首，超大型望远镜的建设将持续 20 年或更久，但这绝对是望远镜发展历史上的一大步。

责任编辑：王雨阳

牧夫新媒体编辑部

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图源: Chandra X-Ray Observatory