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中国的12米大口径大望远镜之争,争的是什么?

字号+作者:kers 来源:科技在线 2017-08-08 14:00 收藏成功收藏本文

编者按:
几天前,一封中科院院士、天体物理学家陈建生写给中科院领导的信件,让天文学界内部一个持续半年多的争论公之于众——准备耗资几十亿建造的12米大口径光学望远镜,该选哪条技术路线?
为了让读者能够客观全面的了解这次争论,科学人特邀中国科学院国家天文台在读博士刘博洋撰文,梳理了整个事件的来龙去脉及其间的发展。
希望,我们能与天文学界一道,积极推动中国大口径望远镜技术路线之争早日落幕。

  几封院士信件的流出,让中国兴建12米大口径光学-红外望远镜计划(后文简称“LOT”)的争议摊在了桌面上。表面上,中国科学院院士、天体物理学家陈建生,与中国科学院院士、天文望远镜技术专家崔向群及其各自支持者,针对两个不同的光学系统技术方案(后文将提及的“三镜”和“四镜”方案)进行着激烈的针锋相对的辩论。而这一事件牵涉到的,不仅仅是技术方案本身,还有一系列更加复杂的科学大工程管理策略 、学科发展方法论,乃至科学经费体制机制等问题。

上半场:达成一致

  望远镜是天文学家用以收集天体信息的工具,其口径直接影响到对天体细节的空间分辨率与对暗弱天体的探测灵敏度,故而天文望远镜诞生以来的400多年,就是望远镜越做越大的400多年。从上世纪90年代开始,国际上一批8-10米级口径地基光学望远镜的建成,奠定了现今世界顶级望远镜的基本阵容。近十年来,各国又争相提出多个30-40米级望远镜方案,让地基光学望远镜在10年内走进下一个量级的未来已经栩栩可期。

30米口径望远镜示意图。图片来源:TMT.org

  然而,在这样的时代里,中国天文学家的家当可谓寒酸。目前,中国名义上最大口径的光学望远镜是建于国家天文台兴隆基地的郭守敬望远镜(LAMOST)。这是一台4-6米级的光谱巡天望远镜。 这台望远镜通过极为特殊的设计,提高了光谱巡天的效率,但不具备成像观测的能力。

  大部分世界一流的地基光学望远镜都是“通用型望远镜”,而中国真正可以与这些世界一流“通用型望远镜”相比较的,是同样位于兴隆基地的2.16米口径望远镜,和位于云南丽江的2.4米口径望远镜。它们2米级的口径已经落后了国际前沿两个时代(4-6米级,8-10米级)——美国早在1917年就建成了口径2.54米的胡克望远镜。这样的境况,让拥有一台大望远镜,成为多年来中国天文学家心头挥之不去的梦想。

  然而,怎样获得这架梦寐以求的大望远镜,成了十年来撕裂中国天文界的老大难问题。在2016年之前,这场旷日持久的争论有两个竞争方案:其一是参加“三十米口径望远镜”(TMT)国际合作项目,通过对该项目出资10%,获得相应份额的观测时间使用权,搭上30-40米级大望远镜发展的快车;另一个方案,是崔向群院士力推的,以中国为主导发起国际合作,建造一架口径为20米的大望远镜。

  这两个方案各自的支持者在几年前曾经有过激烈的争论,每逢重大会议总能见到双方各执一词。前者以天体物理学家为主,担心中国目前只有建造2米级通用望远镜经验,技术能力不足,难以大跃进到建设30米级望远镜,也担心建造周期冗长、无法抢夺30米级望远镜所带来的重大科学发现机遇;而后者抗辩的理由,除了相信中国已有能力迈出这一大步外,主要是认为参与国际合作不利于中国掌握大望远镜建造的核心技术。

  争论没分高下,TMT项目出了问题。TMT的建设选址定在美国夏威夷大岛的莫纳克亚火山峰顶——这里被认为是世界上最好的光学天文台址。但莫纳克亚火山也是当地的圣山,原住民并不希望有更多望远镜建设在此处。原住民对TMT建设筹备的抗议阻挠,迫使TMT项目不得不寻求在非洲西海岸西班牙所属加纳利群岛、智利北部阿塔卡玛高原等其他优秀台址建造TMT的可能,一度接近停摆,直到最近才有转机。

  就在TMT前途未卜期间,中国天文界主自建一派也稍稍收敛了雄心,将力主建设的国产地基大光学红外望远镜的口径由20米下修为12米,这让反对自建20米镜的天体物理学家们感到似乎靠谱了一点,于是,在2016年5月的一次香山会议上,中国天文学界终于达成一致:两条腿走路,除积极参与国际合作大望远镜项目外,也要自主建造一台12米口径的大望远镜。

国家天文台兴隆基地的2.16米口径“通用型望远镜”。图片来源:Fan et al., 2016

下半场:风云再起

  情理之中意料之外的是,关于这台大望远镜的争论并没有就此休止。很快,在这架被暂命名为“大型光学-红外望远镜”的12米口径大型望远镜身上,战火重新燃起 。2016年5月的香山会议看似一场团结胜利、弥合分歧的大会,实则已经为论战的下半场埋下了伏笔。

  崔向群院士所在的南京天文光学技术研究所(后文简称“南京天光所”) 在该次会议上就力推以苏定强院士等人命名的SYZ方案作为LOT望远镜的光学方案,这就是后来所称的“四镜”方案。崔、苏两位院士认为,这个“自主创新”方案相比传统方案具有更好的成像品质。

  然而,南京天光所并不能独自决定项目的技术方案。作为一个预算接近20亿元的大工程,中国天文学界举全部力量才能造得出LOT。因此,项目真正的负责单位,是2015年成立的中国科学院天文大科学中心——“提出和引领我国天文科技领域大科学装置的发展”正是该中心的主要职能和任务之一。

  2016年7月,天文大科学中心正式成立 LOT望远镜“前期工作组”,全面负责该项目准备工作。前期工作组的组长和两位副组长分别是国家天文台、紫金山天文台、上海天文台这中国科学院下属三大天文台的台长,可见其分量。

  2016年10月,前期工作组派出一支三人小组前往美国加州大学天文台(UCO)寻求对LOT的“四镜”方案的意见。选择这里,是因为加州大学天文台负责运营的凯克天文台(Keck),拥有夏威夷莫纳克亚山上的两架 10米口径双胞胎望远镜——其中的凯克 I 是世界上首座10米级口径望远镜。至今,凯克双镜仍是10米级望远镜中的佼佼者,UCO自然也是国际光学天文的重镇。“凯克之父”Jerry Nelson亲自接待了三人小组。加州大学天文台的“哈勃学者”蔡峥博士和他的同学、光学设计师马冬林博士也参与了对“四镜”方案的讨论。

  这次访问得到的结论是:“四镜”方案通过增加一块改正镜虽能获得较好像质,但作为地面望远镜,其实际像质更大程度上受限于天文台所在地近地面大气层的稳定性(“视宁度”)。多增加一镜,会增加光的反射损失,减弱LOT探测暗弱天体的目标能力。

  更多问题来自于设计中第四面镜(M4)上的开孔。这个开孔进一步增加了光损,同时,对不同视野大小的终端仪器,需要更换不同开孔的M4,这可能会非常耗时,增加了在海拔5000米的候选台址本已充满生理挑战的环境下,运行维护望远镜的难度。另外,开孔会使星点周围出现更明显的衍射环,干扰对黑洞吸积盘、系外行星等科学目标的直接成像。这些挑战让 LOT 前期工作组暂停了对天光所“四镜”方案的推进。

  三人小组这次访问之后,在华中科技大学工作的马冬林博士充分结合“凯克之父”Jerry Nelson领导撰写的加州大学天文台设计报告,将传统的“三镜”方案整理成案,上报天文大科学中心。至此,南京天光所“四镜”方案与华科大/加州大学天文台“三镜”方案的角逐态势正式形成。

国家天文台兴隆基地的郭守敬望远镜(LAMOST)。图片来源:lamost.org

两次评审

  2017年4月,为公正考察“三镜”、“四镜”两种方案的优劣,大科学中心组织了一只阵容豪华的国际专家评审组,其成员包括一批国际顶级8-10米级口径望远镜的核心技术专家。经过近一个月的论证,国际专家组几乎一面倒的倾向于传统的“三镜”方案的建议。这使得天文界一度认为,“下半场”的论战在今年5月已经尘埃落定。

  2017年7月,科学院召开内部LOT方案评审会,得出了多数票支持“四镜”方案的表决结果。5月似已“尘埃落定”的“三镜”方案遭遇反转,12米大口径望远镜技术路线之争再起波澜。

浮出水面的技术路线之争

  8月6日,陈建生院士一封4000多字的公开信被公开。在信中,陈建生院士说明了他与崔向群院士关于12米大口径光学望远镜技术路线的分歧。

  8月7日,崔向群院士与苏定强院士联合发表公开信——“评陈建生的信”,对陈建生院士的质疑一一做出回应,说明了各自的观点。

  在中科院条件保障与财务局对陈建生院士的回复中,我们看到了一段引述自曹凝副局长的话:“目前的情况是:1、时间很紧,国家要求‘十三五’重大科技基础设施项目今年年底前完成项目建议书批复、2018年底之前必须开工建设;不能按时开工的话项目将会被调整,并且会影响今后其他天文项目的立项。2、存在争议的项目发改委不予受理,我们需要尽快内部达成一致意见。”

  建设中国自己的十米级望远镜对中国天文学界来说是一件大事、一个来之不易的机遇。很多人担心“没完没了地吵下去,项目被发改委淘汰”,也有很多人担心仓促之下LOT会成为一个失败的工程。

  尤其可贵的是,一批青年天文人也积极的参与到讨论中,毫无事不关己的怠慢,令人感触深刻。

  很多在海外工作的华人天文学家也看到了这场浮出水面的“路线之争”,纷纷发声,期待能推动“三镜”、“四镜”之争尽快落幕。

  这场讨论还在持续进行着,并正在朝向公开、理性的方向前进。(编辑:明天)

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