天文學的未來：麥哲倫巨型望遠鏡（25米級）

縱觀整個歷史，有四件事能決定我們能通過天文學了解到多少關於宇宙的信息：

一、望遠鏡的大小，決定了指定時間內可以聚集的光量和解析度。

二、光學系統和相機/電荷耦合器件的質量，決定了可用數據的光量程度。（電荷耦合器件是一種用於探測光的矽片）

三、使用望遠鏡觀測，大氣可能會扭曲「視線」，但如果觀測環境為高海拔、無風、無雲的晚上，結合自適應光學技術，可以使大氣扭曲影響降到最低。

四、數據分析技術，可以充分分析通過的每個光子。

過去的25年裡，通過改進標準2到4，地面天文學有了顯著的發展。1990年，凱克10米級望遠鏡時世界上最大的望遠鏡，雖然現在有很多8到10米級望遠鏡，但10米級仍然是現存最高標準。（10米望遠鏡可以在250公裡之外分辨人的兩隻眼睛，或在10公裡外讀出報紙上的標題文字。）

凱克望遠鏡

在不增加孔徑的情況下，這些領域所做出的改進已經是極限。這並不是為了減少其他領域的收益，雖然現在的收益很可觀，更重要的是了解我們已經走了多遠。望遠鏡上的電荷耦合器件既能聚焦大視場也能聚焦窄區域，收集視場中特定波段的所有光子，然後進行光譜分析，一次最多可處理數百個，將光分解成各自波長。我們可以利用所有通過望遠鏡反射鏡射入的光子，必要的話，研究時間可以加長，從而對宇宙有更深的了解。

此外，在克服大氣層影響的問題上，我們已經取得了很大的進展，無需再發射望遠鏡進入太空。在高海拔且無風的地區建立觀測站，如莫納克亞山山頂或智利安第斯山脈，我們可以去除大氣湍流的大部分影響。另外，如果一個已知的信號（比如一顆明亮的恆星，或者由雷射從60公裡外的大氣鈉層反射而成的一顆人造恆星）看起來模糊，自適應光學可以幫助我們創建正確的「鏡像形狀」，從而對圖像進行清晰化處理，消除圖像的其他所有光線，可以進一步去除大氣的湍流效應。

智利安第斯山脈

最後，計算能力和數據分析技術有了很大的提高，我們可以從相同的數據中記錄和提取更多有用的信息。這些都是巨大的進步，但我們仍然還在使用和上一代同樣大小的望遠鏡。如果想更深入地了解宇宙、達到高解析度和高靈敏度，我們就必須要使用更大的孔徑，需要一個更大的望遠鏡。目前有三個望遠鏡在爭奪第一：莫納克亞山頂上的望遠鏡（30米級）、智利的歐洲超大望遠鏡（39米級）和智利的麥哲倫巨型望遠鏡（25米級）。麥哲倫巨型望遠鏡將代表地面天文學的下一個巨大飛躍，於去年年底動工，計劃在2021年初運行，2025年全面投入使用。

莫納克亞山公路

技術上不可能製作出這麼大的鏡子，因為材料會在總重量下變形。可以使用「蜂巢式」鏡子，如歐洲極大望遠鏡中用了798個鏡子，但這也有個明顯的缺點，即產生大量的圖像偽影，偽影有銳利的線條，很難去除。相反，麥哲倫巨型望遠鏡只用了七個鏡子（四個已經完成），這些鏡子安裝在一起，每個直徑8.4米（即28英尺）。鏡子是圓形，相互之間就會留有間隙，意味著會失去部分聚光力，但獲取的圖像要整潔得多，更容易處理，而且沒有偽影的幹擾。

麥哲倫巨型望遠鏡

拉斯坎帕納斯天文臺現在有兩個6.5米的麥哲倫望遠鏡，這裡海拔約2400米（約8000英尺），天空晴朗，無光汙染，是地球上天文觀測的最佳場所之一。這裡配有世界上最高級望遠鏡所擁有的設備，尖端照相機/電荷耦合器件、攝譜儀、自適應光學技術、跟蹤和計算機技術，擴大25米望遠鏡的功能，麥哲倫巨型望遠鏡將給天文學帶來巨大變革。

1.) 第一個星系：為了深入了解宇宙，我們需要了解，兩倍遠的物體只會發出四分之一的光，而且膨脹的宇宙還會導致光線紅移，或者使波長變長。大氣層只有一些固定的「窗口」通過光線，這一點實際上在某些方面很有幫助，因為大氣層可以阻擋來自太陽等恆星的紫外線輻射，而紫外線輻射可以在足夠遠的距離內紅移到光譜的可見光（甚至近紅外）部分。在太空中尋找這些星系很簡單，但還需要光譜學技術才能夠確認，而這點最好在地面上進行。理想情況下，使用詹姆斯韋伯太空望遠鏡（上周的《天文學的未來》中的文章）和麥哲倫巨型望遠鏡，可以直接且清晰地測量這些物體的紅移和光譜特徵，打破現有宇宙已知星系的最遠極限，並且以一個前所未有的視角去了解星系的形成和演化。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡

2.) 第一批恆星：更為興奮的是有機會直接觀察和確定宇宙中有史以來形成的第一批恆星的性質。大爆炸之後，宇宙首次形成中性原子，那時沒有重元素，只有氫、氘、氦-3、氦-4和鋰-7，沒有別的。因此，宇宙中形成的第一批恆星也一定是由這些物質構成的，並且銀河系的恆星中也沒有發現任何重元素。為了找到這些原始恆星——第三星族——必須要依賴高紅移。雖然直到今天，我們還沒有發現一個符合要求的恆星，但麥哲倫巨型望遠鏡應該有能力去發現數百個這樣的恆星。它不僅能發現，而且：

能夠確定恆星內部的相對元素豐度，

能夠測量氫、氦、甚至氘和鋰的濃度，

能夠測量地球上和太空中氣體雲的吸收光譜，

甚至能夠在宇宙重新電離之前，中性氣體存在時，就能發現原始恆星。

這同樣適用於了解第一批星系，但對於觀測第一批恆星來說更令人興奮，因為我們能夠看到宇宙的原始樣本，並了解這些最早的恆星能有多大。

3.) 最早的超大質量黑洞：我們偶然發現了大量這樣的類星體。通過全天測量，發現了大部分的類星體，如SDSS和2dF。為了確切測量這些類星體，需要獲得它們的光譜，而麥哲倫巨型望遠鏡將是最好的選擇。光譜和測光的區別有點像黑白電視和彩色電視，它們都是展示圖像，但是有了光譜，細節和信息量可以增加一千倍以上，我們可以通過光譜來了解內裡是何情況（有多少），沒有光譜的話就只能做推算。麥哲倫巨型望遠鏡不僅可以提供光譜學，幫助EUCLID和WFIRST望遠鏡尋找最遙遠的類星體，而且幫助我們找到最遙遠的類星體（更年輕、更小和更早期的超大質量黑洞），比世界上（和外面）任何東西都遙遠。

4.) 萊曼α森林：我們在觀察最遙遠的類星體和星系時，不僅看到遙遠的光，還看到物體和我們之間的居間氣體。通過測量吸收特徵，我們可以了解宇宙的結構和組成是如何演變的，並得出宇宙的各種成分，而這些成分，比如中微子和暗物質，肉眼無法看見。（萊曼α森林是指在類星體光譜中，位於氫的萊曼α發射線短波側的密集的吸收線叢。它和分布在該發射線長波側的稀少的譜線形成鮮明的對照。在所有高紅移類星體的光譜中無一例外地均存在萊曼α森林。）

當然，我們也可以用望遠鏡來「正常」了解天文知識，包括發現行星、了解恆星和星系的演化，測量超新星及其遺蹟、行星星雲和恆星形成區、星團、星際和星際氣體等等。最令人興奮也許正是未知的事情。沒有人能夠預測，100英寸胡克望遠鏡首次投入使用，埃德溫哈勃就會發現正在膨脹的宇宙；也沒有人能夠預測，第一次拍攝照片時，哈勃深空區如何揭開宇宙的奧秘，麥哲倫巨型望遠鏡在超遙遠的宇宙能夠發現什麼。

超新星遺蹟，圖源：NASA中文

這就是研究的原因，也是前沿科學。麥哲倫巨型望遠鏡將在地面上完成天基望遠鏡無法完成的所有任務，並且比現有的任一望遠鏡做得更好。與其他大型地面望遠鏡不同，麥哲倫巨型望遠鏡完全由私人出資，沒有政治爭議，並且已經開始動工。任何科學未來——尤其是天文學——都需要雄心壯志，並致力於尋找未知的事物。如果不去主動研究，我們永遠學不到超出認知範圍的知識，而麥哲倫巨型望遠鏡是人類尋找未知而邁出的重要一步。

作者: startswithabang

FY: 芷玦

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