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科學家打造直徑30公尺望遠鏡
運用最新科技興建大型光學天文望遠鏡的計畫﹐一直是天文學家追求的目標。目前世界最大的光學望遠鏡是美國兩座凱克望遠鏡(Keck Observatory)﹐主鏡片各有10公尺﹐1996年完工﹐也是20多年前的科技了。
關於30公尺望遠鏡(Thirty Meter Telescope﹐TMT)的設計與規畫﹐早在2000年代左右便已開始進行。這座正在興建的30公尺望遠鏡﹐預計將耗資約24億美元打造。
要裝下30公尺大的鏡片﹐天文台會是相當巨大的建築物﹐這也是30公尺望遠鏡最吸引人的特色之一。望遠鏡的光圈將會和圓頂上方的「洞」相對應﹐這個可以移動的「洞」﹐可以大幅降低周遭的光害﹐並增進遠方光線的敏感度。圍繞在天文台建築物四周的「百葉窗」﹐可平衡望遠鏡內外的溫度與濕度﹐自然減少建築物對觀測活動的干擾﹐可說是天文界的「綠建築」。
望遠鏡主鏡片是由492片直徑1.4公尺的六角「鏡塊」組成直徑30公尺的大鏡片﹐而不是一體成形的單一鏡片。這種「鑲嵌」鏡片﹐除了能突破鍍造單一鏡片的技術極限﹐更能大幅減少鏡片形變造成的影響。完工後的30公尺主鏡片﹐面積與集光力將是上述凱克望遠鏡的9倍﹐意思是科學家可用同樣的時間﹐觀測到亮度9倍弱的遙遠光源。
除了可看到極微弱的光線﹐靠著「適應光學」(adaptive optics)系統﹐30公尺望遠鏡也有極高解析度。適應光學為運用人工雷射的「導航星」(guided stars)即時修正大氣干擾的系統﹐密布「附著」在主鏡片背面﹐收到修正訊號後﹐運用微型馬達快速修正鏡片表面﹐以達到修正影像解析度的效果。
適應光學系統其實已有30年左右歷史﹐但是30公尺望遠鏡運用的最新科技﹐使適應光學系統的精確度與速度都更優於其他大型望遠鏡。透過適應光學﹐30公尺望遠鏡在近紅外線波長可達8微角秒(milli-arcsecond)左右解析度﹐這除了已經接近理論光學的「繞射極限」﹐更超越目前太空望遠鏡如哈伯太空望遠鏡的解析度。
30公尺望遠鏡即將達成在地表也可以有太空望遠鏡等級的解析度﹐除了移除大氣層的影響﹐也免除建造與維護太空望遠鏡的昂貴成本。
安裝在30公尺望遠鏡的儀器﹐將由3個「曙光儀器」(first-light instruments)領軍﹕廣域可見光譜儀(Wide Field Optical Spectrometer﹐WFOS)﹑紅外線影像光譜儀(Infrared Imaging Spectrometer﹐IRIS)與紅外線多物件光譜儀(Infrared Multi-object Spectrometer﹐IRMS)。這3個曙光儀器將協助科學家校正與「操練」30公尺望遠鏡的極限。
雖然設計為可見光光學望遠鏡﹐但30公尺望遠鏡能從短波長的紫外線一路觀測到長波長的中紅外線。除照片外﹐3 個曙光儀器也可以觀察天體的光譜。這些特色使30公尺望遠鏡有很大的科學潛力。極高的集光力表示30公尺望遠鏡可觀測到極遠﹑亮度極微弱的天體﹐這對研究星系演化的天文學家來說﹐能觀測到大量的早期星系(primordial galaxies)與星團(star clusters)﹐由此可以解釋理論星系演化的許多模型。
極高的解析度使30公尺望遠鏡能產出低雜訊與高細節的照片。在高解析度的星系團照片﹐科學家可以透過「弱重力透鏡」(weak lensing)效應﹐研究暗物質(dark matter)與宇宙學的理論模型。高解析度的星系中心照片﹐科學家則可研究黑洞吸積盤周圍物質受到黑洞什麼影響﹐進而證明或修正黑洞與廣義相對論的模型。在高解析度的恆星照片﹐可發現更多有更複雜軌道特性的「系外行星」(exoplanets)。
運用30公尺望遠鏡的紅外線儀器﹐科學家能「透視」可見光無法見到﹑充滿塵埃與氣體的星際間物質(interstellar medium)。這些物質是孕育恆星與行星生成的「搖籃」﹐對了解太陽系生成過程有極大幫助。
30公尺望遠鏡的光譜儀更能偵測到微弱的譜線﹐協助科學家尋找如星際間有機物等物質﹐最終也能為尋找外星生命有貢獻。
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