9月7日,美國科學院網站發布一則消息,面向2022-2032的天文和天體物理十年規劃(Decadal Survey)Astro2020,將于2021年秋季發布!這顯然是為了安撫無數人焦急期待、甚至惴惴不安的復雜心情。Astro2020是美國歷史上第7個十年規劃,包括美國國家極大望遠鏡計劃US-ELTP等重大地基天文項目計劃,誰能獲得優先推薦實施?國際天文界也在拭目以待。對于中國天文界來說,因為深度參與US-ELTP,因此,不再僅僅是美國十年規劃的看客而已。
圖1. 美國極大望遠鏡計劃US-ELTP的核心,是規劃建設一南(智利)一北(夏威夷)兩架30米級光學-紅外望遠鏡,即GMT(24.5米,右圖)和TMT(30米,左圖)
美國光學天文,傳統上富商、巨賈、慈善家及私人基金會,起了巨大的助推作用。如今我們耳熟能詳海爾5米望遠鏡、以及麥哲倫6.5米,以及凱克10米望遠鏡等等,都隸屬于捐贈受益的、少數精英大學或機構,但使用權并不普惠大眾,多數大學的天文學者,還是更加期待國有光學天文設備的長足發展。相比于二戰之后,受益于國家投入,迅速發展起來的射電天文、空間天文、高能天文等等,國有大型光學設施的缺乏,成為制約美國天文學整體發展的嚴重瓶頸。上世紀60年代,美國首個十年規劃(Ground-Based Astronomy: ATen-Year Program, 1964)關注的焦點是如何規劃國有、地基光學實施的發展。之后,經歷數個十年規劃的助力,美國國立光學天文設施從4米級設備起步,也終于在新世紀初建成了兩座8米口徑,一南一北分布的雙子座天文臺,此外,2023年還即將啟用魯賓勞拉(8米)、功能強大的、全景式巡天望遠鏡,至此,美國國立大型光學設備總算有了新格局。
圖2. 美國天文十年規劃Astrono2020進程(https://www.nationalacademies.org/our-work/decadal-survey-on-astronomy-and-astrophysics-2020-astro2020)
自上世紀90年代起,光學-紅外天文進入地基和空間觀測并駕齊驅的時代。多架歐美地基8-10級望遠鏡,以及空間哈勃望遠鏡(2.4米)協同配合,令歐美天文學家斬獲近年來多天文項諾獎成果,同時也揭示出更多的宇宙謎團,呼喚望遠鏡的探測能力要有量級上的跨越。即將發射的美國詹姆斯韋伯空間望遠鏡(6.5米),標志著這個空地探測能力實現量級跨越的、新時代的開端,那么國際上早已名聲赫赫的三大地基極大望遠鏡方案,即美國三十米望遠鏡TMT(口徑30米)、巨麥哲倫GMT(24.5米)和歐洲南方天文臺的極大望遠鏡計劃E-ELT(39米),各自起起伏伏,在過去的20年里,的確上演了一場“龜兔”賽跑的“軍備”競爭。
圖3. 由美國、中國、日本、加拿大和印度五國分工協作建設的三十米光學-紅外望遠鏡TMT。中方相關機構承擔了包括望遠鏡主鏡、三鏡、激光導星系統和科學儀器及制冷系統的研發任務,如果全部實現,將主要以實物貢獻的形式,享有TMT國際天文臺10%份額的權益
受益于慈善家戈登摩爾(Gordon Moore)私人基金會2億美金的資助,加州理工和加州大學系統啟動了TMT項目研發,之后TMT又發展了包括加拿大、日本、中國(國家天文臺代表)和印度四個國際合作伙伴,于2014年成立TMT國際天文臺(TIO),原計劃于2015年在夏威夷大島破土動工,2025年實現首光。不曾想TMT開工,獲得舉世關注事件,卻成了夏威夷原住民,與地方政府及相關機構歷史積怨的爆發點,借機對抗各種行政法令,以爭取各種社會利益訴求。TIO組織甚至是夏威夷州政府顯然不能一時安撫好夏威夷原住民的情緒,至今,TMT延期開工6年之久,不可避免的造成項目造價的膨脹。
由美國卡內基科學基金會哈佛大學等發起的GMT計劃,雖然發展包括澳大利亞和韓國機構的加盟,而且臺址建設在智利也順利啟動,但磨制7面8.4米主鏡的工程耗資過大,已幾乎耗盡原項目預算。能否于2029年實現首光?還有極大的不確定因素。
圖4. 巨型麥哲倫望遠鏡(Giant Magellan Telescope,GMT)是正在建造中的地基極大望遠鏡
而于此同時,擁有17個成員國的E-ELT計劃正在緊鑼密鼓的推進,并預計2027年工程竣工。看來,人類極有可能在南半球智利,首先慶祝地基極大望遠鏡的竣工。
無論如何,美國社會也強烈關注,在傳統領先的天文優勢領域,是否就此輸掉這場科技競賽?
十年前,由于三十米望遠鏡TMT(口徑30米)和巨麥哲倫GMT(24.5米)項目的激烈競爭,Astro2010委員會認為有限的聯邦資源,只可能支持一個巨型拼接望遠鏡GSMT計劃,而且正因為這個原因,優先級被排在第三位。規劃報告要求,國家基金會,要從TMT和GMT兩個GSMT望遠鏡方案中,二擇其一,在私人基金和國際伙伴資金的基礎上,投入占比1/4的聯邦資金,使美國大眾天文學家,可以分享相應比例的望遠鏡機時。要知道美國TMT和GMT分別所代表的兩大天文勢力,有著上百年的競爭、對立的關系,他們也別發展了巨型望遠鏡的獨家技術,讓他們融合出一個方案幾乎不可想象。
在巨型望遠鏡時代,美國完全依仗私人資金的傳統不可能延續。2018年前后,在NSF及其所屬的、美國大學天文研究聯盟(即AURA,其旗下管理運行國立光學天文臺NOAO)的促成下、以及在所有國際伙伴成員的敦促下,TMT和GMT兩大項目及其背后的加州理工學院和卡內基天文臺,終于化解了百年恩怨,形式上聯合起來,與升級NOAO組成光學紅外國家實驗室(NOIRLab),多措并舉,形成了美國極大望遠鏡計劃US-ELTP項目提案,提交Astro202l論證,以期通過業界的權威規劃推薦,最終獲得聯邦基金的加持。
圖5. 美國國家基金會旗下,由全美大學天文研究聯盟(公司)AURA管理的國立光學天文臺NOAO系統,分布在美國亞利桑那、夏威夷和智利等天文臺的4-8米光學-紅外望遠鏡設施
可想而知,US-ELTP提案,即使在前期私募和國際合作伙伴協議貢獻的基礎上,還將耗資20億美元,除了空間項目不說,與此同時,地基射電、引力波等天文方向,也有呼聲很高大項目,因此Astro2020的優先推薦次序,是US-ELTP能否最終落地的關鍵!
TMT作為US-ELTP計劃的核心組成,國家天文臺所領導的中方團隊已經有超過10年的研發投入。TMT經歷了兩個十年規劃的“洗禮”,“時”和“勢”都發生了巨變,科學和技術已經不再是科學大裝置建設充分決定因素。科學與文化融合,充分尊重原住民權益的社會和解策略已經深入人心,加上復雜的國際局勢,中方參與TMT計劃的最終走向還要取決于中美雙邊政府的態度。無論如何,新一代極大望遠鏡建設,是關乎人類命運共同體事業的“星”征程,我們期待它能在中美雙邊踏實落地!
作者簡介:薛隨建,國家天文臺巡天觀測和三十米望遠鏡研發團組首席研究員,TMT國際天文臺執行理事,TMT中方項目經理。2013-2020期間擔任國家天文臺主管科研和國際合作事務的副臺長。
文稿編輯:趙宇豪
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