12米口徑的望遠鏡為何現在這么“火”？

劉園園

建設一個12米口徑的光學紅外望遠鏡，已被列入我國“十三五”規劃，而且是優先布局的10個重大科技基礎設施建設項目之一。3鏡還是4鏡？近日，天文圈卻因為這個望遠鏡吵得不可開交……

爭論雙方涉及3位中科院院士。8月4日，國家天文臺研究員陳建生院士在公開長信中“抖出”與中科院南京天文光學技術研究所研究員崔向群院士的分歧。后者在8月6日又與蘇定強院士聯名寫公開信一一反駁。他們爭論的核心是，這臺12米口徑望遠鏡應該采取什么樣的技術方案。

竟然在天文圈掀起這么大波瀾，不用說，這不是一架普通的天文望遠鏡。

我國急需“眼睛”更大的望遠鏡

“目前我們國家天文研究的體量在國際上并不算小，但是比較尖端的、在國際上有競爭力的天文觀測設備，并不是很多。”在中國科學院紫金山天文臺研究員趙海斌看來，12米口徑望遠鏡對國內天文學的發展意義重大。

有人可能要問，我們已經建成了世界上獨一無二的500米口徑望遠鏡，為什么還要建12米口徑望遠鏡？

答案在于，位于貴州的500米口徑望遠鏡是一架射電望遠鏡，而這架12米口徑望遠鏡是一架光學望遠鏡。“它們觀測的是完全不同的波段，產生各自波段的光的天體及物理機制一般也不一樣。”中科院國家天文臺在讀博士劉博洋說，這意味著兩種望遠鏡觀測的是不同天體，或者從不同角度研究同一種天體。

雖然我國已經擁有口徑居世界第一的射電望遠鏡，但盤點國內光學望遠鏡的家底，卻發現跟國際先進水平還有很大差距。

目前國內口徑最大的光學望遠鏡是位于國家天文臺興隆基地的郭守敬望遠鏡（LAMOST），它是一臺4—6米級的光譜巡天望遠鏡，但不具備成像觀測能力。而國內具備成像觀測能力的通用型望遠鏡，最大口徑仍然只有2米級。這與世界先進水平差了不止一步，因為國際上8—10米級的望遠鏡已經有13架。

“理論上講，光學望遠鏡的口徑越大，觀測的精度和靈敏度就越好，因此可以觀測到的信號也更遙遠、更微弱，獲得的天體圖像質量也相對更好。”中科院國家天文臺研究員張承民解釋，這樣就有更多機會發現原來不知道的、隱藏在宇宙深處的天體。

然而，為了進行比較前沿的天文研究，獲得更加清晰的天體圖像，國內天文工作者不得不去租用國外望遠鏡的觀測時間，而且要支付昂貴的租金。

“國外望遠鏡也不一定能租上，有時只能使用別人釋放的二手數據。這些數據里的‘金礦通常都被挖完了，只能挖掘剩下的。”劉博洋說，這樣容易失去和國際一流天文學研究進行競爭的機會。

12米，要通用而不要巡天

如此一來，建造一架口徑更大的光學紅外望遠鏡，就成了迫在眉睫的事情。

2016年年底，《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃》（以下簡稱《規劃》）正式公布，其中大型光學紅外望遠鏡被列入優先啟動的10個項目。

《規劃》明確提出，建設一架12米級口徑光學紅外望遠鏡，具備多目標、暗天體高分辨成像和光譜觀測的精測能力。這意味著，這架12米級口徑光學紅外望遠鏡將是一臺通用型望遠鏡，而不是LAMOST那樣的巡天望遠鏡。

“巡天望遠鏡是粗略而廣泛地去觀測，觀測的精度不高，但是可以比較高效地對大量天體進行‘普查。”劉博洋介紹，而通用型望遠鏡一般是精測，分辨率和靈敏度都比較高，用巡天望遠鏡看到值得研究之處，再用通用型望遠鏡進行有針對性的深度觀測。

目前，國內已有、在建和“十二五”規劃的大型光學望遠鏡均是巡天型望遠鏡。除了LAMOST，我國還計劃于2022年發射口徑為2米的中國空間站巡天望遠鏡。此外，中國南極昆侖站也將建造一臺口徑2.5米的巡天望遠鏡。這些巡天望遠鏡都需要大口徑的精測型望遠鏡相配合。

因此，將這架12米口徑望遠鏡建造成通用型望遠鏡，沒什么好說的。倒是它的口徑大小的確定，確實經歷了一番爭論。

“近年來國際上已經出現好幾個建設30—40米級大型望遠鏡的方案。于是剛開始有人提出，國內應該直接建20米級望遠鏡。”劉博洋表示，這種主張遭到很多人反對，反對者認為，國內在大型光學望遠鏡的建造上缺乏技術和人才積淀，在技術基礎比較薄弱的情況下，直接挑戰20米級望遠鏡，步子邁得太大。

于是，經過長時間爭論，建設12米口徑光學望遠鏡的方案才最終敲定。雖然與20米級相比，12米口徑望遠鏡屬于折中方案，但劉博洋認為，這絲毫沒有減弱它的價值，因為國內天文界依然迫切需要這樣一臺大型望遠鏡。

“設施建成后，可使我國光學極限探測能力處于國際領先行列，大幅提升天文觀測重大發現的綜合能力，同時為相關領域的前沿研究提供重要支撐，帶動我國先進光學技術的創新發展。”對于12米口徑光學望遠鏡的意義，《規劃》如此描述。

3鏡還是4鏡？這是一個問題

在搞定一系列問題后，這架12米級光學望遠鏡又在技術方案上出現了磕絆。

2016年年底，大型光學紅外望遠鏡前期工作組曾邀請國內外8家單位對12米口徑望遠鏡進行設計，只有華中科技大學和中科院南京天文光學技術研究所提交了設計方案，一個是3鏡方案，一個是4鏡方案。3鏡和4鏡之爭，由此正式形成。

不可思議的是，中科院分別在2017年4月和7月組織了國際專家評審和國內專家評審，結果3鏡方案在勝出之后，突然又被4鏡方案反轉。

3鏡方案是國際上普遍采納的方案，正如陳建生所言，“國際上已建成的超過10臺10米級望遠鏡無一不是采用3鏡系統”。而4鏡方案則是“獨樹一幟”的，它比國際上經典的光學方案多了一塊鏡面。

“兩個方案各有優缺點。”劉博洋介紹，3鏡方案的主要優勢在于光損較少，更能探測暗弱天體，而且作為一種成熟的設計方案，設計、建造、運行的風險較小，比較穩妥。4鏡方案的最大優勢在于，通過增加一塊改正鏡，讓望遠鏡的焦平面更平，與3鏡方案相比，理論上能達到的像質更好。

“大國政府出資建設的大科學工程必須有科學亮點和技術創新。”4鏡方案的支持者提出，4鏡方案不但可以滿足一架通用望遠鏡的科學需求，而且有所創新，即使在30米級望遠鏡時代也有顯著科學優勢。

但3鏡方案支持者并不認同這種說法。“4鏡系統獲得好的設計像質是最大優勢，但在地面觀測受大氣抖動影響的條件下，像質主要由地面視寧度決定，無論3鏡和4鏡都是一樣的。”陳建生分析，4鏡系統中最后一面反射鏡中央要開一個洞，這會進一步損失光，可能會影響重要科學目標的實現。

爭議還在繼續，而且吸引了越來越多的人加入。截至日前，已有100多位青年天文工作者聯名支持3鏡方案。12米口徑望遠鏡最終會選擇哪種方案，將由時間來揭曉。

（本文轉自《科技日報》）