你从未见过的宇宙

在伽利略用自制望远镜彻底变革了人类宇宙观念之后的400年，一架正在建造的巨型望远镜将给人类带来有关宇宙的更多、更新、更深层的认识。

上图是架坐落于夏威夷莫纳克亚火山顶上的30米望远镜计划（TMT），预计在2018年完工，一旦建成，将使天文学家能更清晰地看到暗弱的天体，并将能够识别出即便在哈勃极深场中看上去仍然很模糊的、极为遥远的结构——至今还没有人知道这些天体到底是什么。这一新的分辨能力将加大对太阳系外行星的搜寻和探测，同时还能惠及对宇宙中第一代星系的研究。TMT项目科学家、美国加利福尼亚州大学圣克鲁兹分校的杰里·纳尔逊说：“我们知道的越多，宇宙就变得越神秘，这就需要人类更多的创造力。”
开创新天文学
截止到2011年5月20日，人类已经发现了551个太阳系外行星的候选者，其中还有超过200个行星系统。它们中的大部分是通过探测行星对其宿主恒星在观测者视线方向上的引力摄动而被发现的，这一方法被称为视向速度方法。目前，这一方法主要适用于搜寻极为靠近宿主恒星的热类木星。但如果要找到位于低温矮星周围宜居带中的岩质类地行星，现有视向速度方法的灵敏度还需要提高至少10倍。

为此，凯克望远镜需要1小时～3小时才能得到可信的视向速度数据，这大大限制了观测的效率。考虑到行星系统的多样性，必须要对数百颗恒星进行观测之后方能真正得到近距岩质类地行星的可靠比例。而TMT在这方面的优势就体现了出来：它比凯克望远镜大9倍的集光能力使得其每次视向速度观测所需的时间只有几分钟，在一年里可以观测数千个行星候选者。


未来的TMT将会看到之前任何一架望远镜都无法看到的早期宇宙———直达宇宙“黑暗时代”之后第一代恒星和星系的形成时期，并直击宇宙中的“第一缕光”。有理论认为，在大爆炸的光辉褪去之后，宇宙进入了一个长期的“黑暗时代”。最终，低温物质聚集坍缩形成了第一代恒星和星系，出现了第一缕光。

第一代星系包含有从原初气体中形成的第一代大质量恒星，其中星族Ⅲ恒星会以超新星爆发的形式为宇宙制造出第一批重元素——作为大质量的热源，它们会发出强烈的辐射，电离周围的原初氦。这些气体产生的特征发射线可以作为第一代恒星的示踪器。而TMT可以看到红移达14的星系的这些谱线，验证先前根据微波背景辐射偏振所做出的星族Ⅲ恒星的红移在7～20之间的预言。这将为早期星系的演化提供一个新的、重要的限制。

此外，在黑暗时代中，引力开始把暗物质聚集成团，构筑起宇宙大尺度结构。其时，中性氢和氦原子会被暗物质吸引，在密度最高的区域积聚。不过，这一原初引力成团的细节目前还鲜为人知，我们不知道是单颗恒星还是巨型黑洞先形成，恒星和黑洞是否都会产生高能光子，包括高温、明亮的恒星是否会辐射出巨量的紫外线，以及在吸积盘中落向黑洞的物质其温度是否会高到足以产生X射线……没有人知道哪类天体率先开始发出明亮的辐射，但有一件事情是肯定的：在几亿年之后，宇宙的灯光被点亮了。对于这些问题，TMT兴许可以为我们提供一些线索。
超大镜面像蜂窝一样拼接而成
为了攻克这些未知，TMT必须要有远超目前最大望远镜的镜面，用以收集来自宇宙边缘的微弱信息。然而，建造直径30米的望远镜主镜绝非易事！在20世纪70年代末，天文学家遇到了一个问题：天文望远镜的尺寸已经无法满足他们的要求了。为了能更深入宇宙的过去，他们需要更大的望远镜。但是，直径大于5米的镜面会由于形变而产生扭曲的图像，使得这一梦想始终未能实现。

最终找到破解这一关键问题办法的，是一名谁也没有想到的物理学家，他就是美国加利福尼亚州大学伯克利分校的纳尔逊。“在演讲时，他平淡的风格会让你觉得他正在推销一种新的市政下水道合同，而不是世界上最大的望远镜，”美国《洛杉矶时报》评论道，“然而，他是一个不屈不挠且有能力的科学家，拥有巧妙解决意料之外问题的天赋。”
纳尔逊设计出的解决方案是：先做36块小镜面，然后像蜂巢一样把它们拼接到一起。这就是位于美国夏威夷的两架10米凯克望远镜的建造基础。当时人们都认为这个想法风险极大，也没有人相信它会成功，但纳尔逊做到了。

在过去的100年里，望远镜的设计有两个鲜明的阶段。首先，天文学家从使用透镜的折射望远镜转向了使用镜面的反射望远镜。1908年，美国威尔逊山天文台的1.5米望远镜拉开了这一阶段的序幕，随后是1917年2.5米的胡克望远镜和1948年美国帕洛玛天文台的海尔望远镜；而凯克望远镜则开启了通过拼接镜面建造望远镜的下一个时期。也正因为如此，美国加利福尼亚州大学圣克鲁兹分校的天文学家桑迪·费伯把纳尔逊称为“现代伽利略”。

实际上，纳尔逊的方法和其他拼接镜面设计已经被证明极具可行性和灵活性，TMT也将使用相同的技术。TMT反射镜所用的拼接镜面比凯克望远镜高一个数量级，达到492块，并通过复杂的计算机制导系统使其整体运转。然而，即使望远镜主镜面的问题得到解决，它仍要克服一个所有地面望远镜都要面对的难题———大气湍动。
看得更深、更远
400年前，当伽利略用他的望远镜首次发现木星的卫星时，没有想到这个小望远镜的后裔居然可以窥视宇宙的边缘。当时，伽利略手工制造的望远镜口径只有4.4厘米，而且透镜的质量很差，无法分辨小于10角秒的细节———相当于300米外一枚银币所张的角。因此，伽利略无法分辨出土星的光环。而以TMT主镜30米的直径，它的分辨率可以达到0.005个角秒。
但是，用过望远镜的人都知道，地球上的大气湍流会让影像变得模糊。因此，无论口径有多大，没有望远镜的分辨率可以达到0.5角秒以上，甚至在山顶这种视凝度极好的地方也是如此。从分辨率的角度来说，世界上最大的望远镜并不比天文爱好者手中的几十厘米望远镜好到哪里去。

现在不同了。通过自适应光学系统时刻修正大气扰动所造成的图像畸变，可以使星像还原到近乎达到衍射极限的完美程度。为了使光线重回“正途”，自适应光学系统必须要做两件事：在每一个瞬间测量出所有的影像畸变，然后通过望远镜光路上的器件来校正这些畸变。
自适应光学系统会帮助TMT实现“看得更深、更远”的目标，包括使用钠激光产生的人造引导星来探测气流的状况，并把大气湍流的信息传递给小型弹性镜面，后者会实时纠正大气的扰动。不过，对于TMT而言，传统的自适应光学系统并不能简单地照搬到它身上。
自适应光学系统，地面望远镜根本无法和哈勃这样的空间望远镜相比。纳尔逊把这一关键技术称为“望远镜的心脏和灵魂”。

纳尔逊预言，在不太遥远的未来我们还将看到50米和100米望远镜。但这并不意味着这些望远镜容易实现。预计10亿美元的成本使得TMT必须寻求国际合作。“TMT将要做出的发现会增加我们对能力更强大、更大望远镜的渴望”，纳尔逊说，“因此只要我们保留好奇心并且拥有建造这些设备的资金，我认为我们会见到更巨大的东西。”