中国加入TMT国际合作计划科学目标

中国加入TMT国际合作计划科学目标(草稿 (2010年1月19日)摘要30米望远镜（TMT）计划是由美国加州理工学院（Caltech）、加州大学系统（UC）和加拿大大学天文研究联盟联合发起的国际合作项目，该项目计划于夏威夷莫纳克亚峰建造一个世界领先的30米巨型光学-红外观测设备。目前，日本也已经参与进来，步入成为TMT合作伙伴的第二阶段。加州理工学院和加州大学有着丰富的大型望远镜建造经验，曾成功地在预定时间表内和资金预算内建造了十米凯克（Keck）望远镜。在建造凯克过程中所积累的丰富经验和技术，将在很大程度上为近10亿美元的TMT计划节约造价，降低风险。TMT的大孔径（高集光能力）、先进的终端仪器装备和自适应光学系统、以及卓越的台址将掀起天文学众多领域的革命。使用TMT，我们将可以直接观测系外行星的大气层，洞察暗物质暗能量的本质，将星系、恒星、黑洞和行星的诞生与演化过程更清楚地揭示出来。在过去十年里中国天文学家取得了相当可观的进步。即将投入使用的LAMOST望远镜，以其科学潜力吸引了国际国内天文学家的广泛关注。正在建造和正在筹划中的巨型地基和空间装置为中国天文学家做出具有世界竞争力的科学成果提供了空前的机会。数个优秀的研究中心已经建成为人才交流和科学创新的国际化平台。这些进步为中国下一代天文学家在可预见的将来进入世界科学舞台的前沿铺平了道路。中国天体物理发展战略专家委员会在经过仔细的论证后，推荐加入TMT项目作为中国天文未来发展的最优选择。加入TMT将把中国带入未来数十年天文发展的前沿，通过国际合作，将有益于中国在科学、管理、技术、工业等各方面获得跨越性进步。TMT还将配合中国其它大天文装置（如LAMOST、FAST等），从而充分发挥它们的科学潜力。本文件在广泛征集中国天体物理界专家、学者意见基础之上，列出了中国加入TMT的主要科学目标和具有代表性的观测计划，确定了未来十年中我们需要加强的科学领域，为2018年TMT进入科学观测阶段作好准备。 1 背景介绍天文学是一门古老的学科，自从人类诞生以来，好奇心就推动着天文学的发展：宇宙是如何诞生的？地球人类是否宇宙中唯一的智慧生物？现在，随着下一代巨型望远镜（比如TMT）的建造，天文学家终于有可能来回答这些问题。加入TMT计划将把中国带入未来数十年天文发展的前沿，通过国际合作，将有益于中国在科学、管理、技术、工业等各方面获得跨越性进步。TMT的合作伙伴资格将在未来两年内确定，这将是一个中国不容错过的机会。 中国天文具有丰富而值得骄傲的历史。中华文明保存了世界上最完好的彗星、太阳黑子以及超新星爆发记录。比如，宋朝的文献（公元1054年）提供了蟹状星云超新星爆发最好最准确的时间。400年前伽利略发明了第一台现代望远镜，开启了天文观测的新纪元；而正是在这过去的几百年间，中国天文逐渐落后于西方世界。从哥白尼的“日心说”开始，天文学总是处在科学革命的最前沿。随着覆盖了从射电到伽马射线的所有波段的大型望远镜的发展，现代天文学家向我们揭示了一个丰富的宇宙，揭示了宇宙从最小到最大各个尺度上的统一性。在这点上，天文学家为我们理解自然的基本原理做出了很大贡献。近年来的天文巡天表明我们的宇宙大部分被暗物质与暗能量所主宰。这两者的本质成为了天文与物理研究的一个最基本的问题。目前已发现的400多个系外行星系统预示着我们的太阳系也许仅仅是个例外而非行星形成的标准模式。得助于TMT这一利器，我们将有可能探求我们地球人类是否为宇宙中唯一的智慧生物。在过去十年里中国天文学家取得了相当可观的进步。即将投入使用的LAMOST望远镜，以其科学潜力吸引了国际国内天文学家的广泛关注。正在建造和正在筹划中的巨型地基和空间装置为中国天文学家做出具有世界竞争力的科学成果提供了空前的机会。数个优秀的研究中心已经建成为人才交流和科学创新的国际化平台。这些进步为中国下一代天文学家在可预见的将来进入世界科学舞台的前沿铺平了道路。2000年公布的美国天文和天体物理十年规划（The US Astronomy and Astrophysics Decadal Survey）将30米巨型拼接镜面望远镜列为最优先发展的项目，计划通过公共与私人分别筹款50%的方式来共同运作完成项目。三十米望远镜的集光能力是目前8-10米级望远镜的十倍，将在天文研究领域取得史无前例的进展。十年规划公布后，三个主流的三十米级望远镜国际合作项目受到广泛关注：即美国的巨型麦哲伦望远镜（GMT）、三十米望远镜（TMT），以及欧洲42米极大望远镜（E-ELT）项目。目前在三个项目中，TMT在技术设计、资金落实等各方面都更为成熟。TMT的合作单位包括美国加州理工学院（Caltech）、加州大学系统（UC）和加拿大大学天文研究联盟（ACURA）；日本已基本确定参加，步入成为TMT合作伙伴的第二阶段；印度和巴西正在考虑加入TMT。加州理工学院和加州大学有着丰富的大型望远镜建造经验，曾成功地在预定时间表内和资金预算内建造了十米凯克（Keck）望远镜。在建造凯克过程中所积累的丰富经验和技术，将在很大程度上为近10亿美元的TMT计划节约造价，降低风险。TMT目前已经募集到了所需十亿美元建造及建设费用中的3亿（Gordon and Betty Moore 基金会提供了两亿美元，加州大学和加州理工学院分别提供五千万美元匹配资金）。此前TMT还得到七千七百万美元的经费支持以进行可行性研究以及望远镜设计方案。30米级望远镜必将成为未来几十年光学-红外波段的主流观测设备。目前中国最大的通用望远镜孔径只有2.4米，其集光能力和终端仪器水平远远落后于国际8-10米级望远镜。若在未来十年内不迎头赶上，获得30米级望远镜的使用机会，中国的天文观测水平将被甩得更远。TMT管理团队的最近一次访华（2009年12月）过程中，代表团成员高度评价了中国所具备的技术和工业能力，认为我们可以在TMT的许多高、精、尖仪器的设计建造中承担主导角色。加入TMT，可以使中国在天文研究领域获得有竞争力的科学产出、成为国际天文界重要的研究力量。中国不应也绝不能再错过这个发展机遇。2 加入TMT的意义随着中国经济的迅猛发展，我国在世界舞台上扮演着越来越重要的角色。作为一个民族，我们为过去的技术和文化成就而自豪。但为了保持和进一步增强我们的国际显示度和话语权，我们仍然需要加强对科学技术的投资力度，尤其是对基础科学的投资力度，它是催生现在以及未来的应用技术的沃土。如前所述，随着各种大科学装置的迅速发展（如LAMOST），中国天文界在过去的十年取得了很大的进步。科研环境在硬件上已经接近了国际先进水平。中国天文学家在理论和观测两方面的研究都覆盖了天文学的多个领域；中国天文学界还拥有一批优秀的研究生以及海外华裔天文学家作为人才储备。然而，迄今为止中国却没有一台世界水平的通用光学-红外望远镜：我们最大的光学望远镜也仅仅是云南丽江的2.4米，这与国际上已有的多台8-10米级望远镜形成鲜明对比。即使是如南非这样的第三世界国家也已经建造了他们自己的10米望远镜。大型现代望远镜的缺乏也严重制约了我们其他大型天文装置（如LAMOST和FAST）的科学潜力。为此，中国天体物理发展战略专家委员会将加入TMT项目列为中国天文未来发展的最优选择。通过建造4米望远镜LAMOST，中国已经具有了开展大科学工程项目的宝贵经验。然而，要在下一步突破到30米口径，中国仍有极大的困难而不能独立运作。首先，为充分发掘其能力，三十米望远镜要求最好的台址（最好的视宁度、最暗的天空背景光等），而中国尚未发现这样的世界一流台址。其次，很多30米级望远镜的科学目标集中在红外领域（比如高红移宇宙的研究和系外行星系统的探测），而目前我国不具备红外CCD的生产技术。再次，TMT是一个集科学、技术、工程、管理等多项专业技术于一身的综合项目，目前在中国这种运作模式还未发展成熟。最后，建造TMT的巨大预算是任何国家都难以独自承担的，目前所有的30米望远镜项目计划（TMT、GMT和E-ELT）都是大型的国际合作。参与TMT计划，将非常有利于我国科学、技术以及工业的跨越式发展。 它将把中国推进到极大望远镜时代的天文前沿，并将成为中国与国际天文学家合作与竞争的平台。 它将与中国的其它大科学装置如LAMOST和FAST相配合，从而充分发挥其科学潜力。 它将使中国学到先进的光学、机械、电子以及自动控制等多个领域中的关键技术。 参与如此大尺度、高科技的TMT建设，可以提升中国制造的国际显示度。 具有惊人能力的TMT将如同一个巨大的磁石，吸引高水平的海外华裔天文学家同国内天文学家合作，甚至到中国来工作，进一步扩大中国天文的人才库，为未来发展打下坚实基础。 TMT还将为中国天文学家同国际天文学家开展合作，使用其它波段的巨型天文探测装置，比如射电波段的SKA，亚毫米波段的ALMA，空间光学-红外望远镜JWST等提供重要平台。这种多波段联合观测方法在天体物理学领域已经变得越来越重要了。需要强调的是加入TMT中国不仅能够通过负责建造特定仪器用以货代款方式承担投资份额，还能派遣代表在几乎所有领域学习各种先进技术。最终的TMT设计/建造准备评估将在2010年六月进行。TMT的初次全孔径实验观测预计将在2017年10月，而初次科学观测将在2018年6月。TMT的全部合作伙伴将于未来的两年内确定。中国加入得越晚，在我们所能对TMT进行贡献的技术和科学方面的选择性和发言权就越小。至关重要的是使我们的科学规划研究的能力与我们的技术水平相适应。这只能通过建立一个强大的具有国际竞争力的科学队伍来实现。而过去十年中国天文在世界舞台上的快速进步给了我们这样的信心：在合适的规划和中国天文学界的共同努力下，这样的一支队伍一定能够在下一个十年内实现。3TMT天文台和仪器简介3.1 TMT 天文台TMT天文台（图1）的核心将是一个大视场alt-az Ritchey-Chretien望远镜，包括一个492个子镜拼接成的 30米直径主镜，一个全活动的第二反射镜和一个万向转镜作为第三镜。 镜面收集的光束将供给安装在环绕望远镜的Nasmyth平台上的一系列自适应光学系统（AO）和科学仪器。平台需要建造得足够大以容纳和支撑至少八个AO/科学仪器系统，这些仪器覆盖了很宽的空间和光谱分辨范围。图1 望远镜设计（左）和整个天文圆堡（右），来自TMT官方网站（tmt.org）TMT的三十米孔径使得它的灵敏度在近红外波段达到了一个科学的最佳平衡。根据建造凯克望远镜时的成功经验，TMT项目组将望远镜造价与直径的比例从一般要求的D2.7 减小到了 D1.15。TMT是第一个设计之初就把自适应光学（ AO ）作为一个不可分割的组分加以考虑的地面天文望远镜 Max, C., www.ucolick.org/max/289C/Lectures/Lecture%2016/Lecture16.2008.pdf; Mountain M., van der Marel R., Summer R. et al. 2009, arXiv:0909.4503v1。AO是一个通用术语，其中包括实时的大气湍流测量系统和对进入望远镜的光束进行改正以消除大气影响的系统，最后达成真正的衍射极限观测相当于在地球大气之外进行空间观测。TMT的AO系统设计参照了Gemini、凯克和VLT望远镜的成功经验。自适应光学是一个飞速发展的领域，而TMT拥有本领域世界领先的设计者（比如加州大学Santa Cruz分校自适应光学中心）。对点光源，AO系统将观测时间的增益从D2提升到了D4（由于点扩散函数覆盖范围的缩小）这意味着与凯克相比，TMT可将观测时间缩短为原来的1/100而不是1/10。效率上的巨大进步使得我们能够对近邻和遥远的宇宙开展一些目前其他任何地面和空间望远镜都做不到的前沿研究。3.2 TMT 科学仪器目前的TMT计划中包括8个科学仪器，其中三个为第一优先的仪器（“Early Light”），其余五个为首个十年计划仪器（“First Decade”）。“Early Light”是在望远镜建成之初就会投入使用的，包括一套激光导星支持的自适应光学系统NFIRAOS (Narrow Field Infrared Adpative Optics System)，可以在30角秒的视场内提供达到衍射极限的分辨率和很高的Strehl比率。它在1微米波段的空间分辨率为7毫角秒，几乎是哈勃空间望远镜的10倍。TMT的三个第一优先仪器是： WFOS：宽领域，多目标光学光谱仪，工作波长为0.31-1.1微米。它具有令人印象深刻的多目标能力。使用分离的遮挡物，WFOS可以在40.5平方角分的视场上以300-7500的光谱分辨率同时观测多达1500个目标源。 IRIS：可进行成像拍摄的近红外（0.8-2.5微米）积分场单元（IFU）分光计。成像模式可覆盖10x10角秒的视场，达到0.004角秒/像元的采样率。IFU对J、H、K三个波段的光谱分辨率均为4000。IRIS是在前所未有的细节上研究星系动力学的理想仪器。 IRMS：具有成像能力的多缝近红外（0.8-2.5微米）分光计。它具有46个可移动的、宽度连续可变的低温狭缝。在Y、J、H、K波段的双像元分辨率为4660。在成像模式下，IRMS可以0.06角秒的采样率覆盖整个NFIRAOS的视场。后两个仪器都依赖于自适应光学系统NFITRAOS来得到近红外波段衍射极限的灵敏度和空间分辨率。这三项仪器将能够探索从宇宙第一代恒星到系外行星的全部天文学领域。 其余的仪器计划，被称为“First Decade”，将结合技术准备和现有的财政资源来决定开发的节奏。TMT也会保持灵活性，以响应科学和技术在未来10年的发展来进行部署。 这些仪器包括：中红外光栅光谱仪（MIRES）、行星形成成像仪（PFI）、高分辨率光学光谱仪（HROS）、大视场红外相机（WIRC）和近红外光栅光谱仪（NIRES）。所有8个仪器的基本技术参数列于表1。注意TMT的整个视场尺度为20角分，其中15角分为非晕影区。表1中所列的仪器只使用了它的部分视场。仪器AO要求.模式视场(角秒)波长(mm)分辨率科学目标IRISNFIRAOSMCAO衍射极限10x10 （imaging）0.7, 1.6 or 4.5 (IFU)0.8-2.52-50 imaging4000 高红移星系团 黑洞/类星体/银河系中心 解析密集星场中的恒星成分 天体测量WFOSNONE视宁度极限92.4 arcmin2/13000.34-1.01000-5000 红移 2z5.5的星系间介质性质表 1: TMT的科学仪器与科学目标。最上面的三行（阴影区）为第一优先仪器，其下五个为首个十年计划仪器。衍射极限观测的分辨率为约7mas (l/mm). 本表取自TMT所提供的文档。4. 中国加入TMT的科学目标借助于强大的集光能力以及可使观测质量达到衍射极限的自适应光学系统，三十米望远镜（TMT）将使我们可以在从太阳系外行星到宇宙大尺度结构的天文学各个方面探测得前所未有的深入。TMT的集光面积是当前主流大望远镜的十倍，其空间分辨率则是哈勃空间望远镜（HST）的十二倍。TMT能探测的更远更清晰，根据观测目标和方法的不同，它的探测深度将是当代望远镜的倍。TMT将能够给天文学和天体物理学的每一个领域提供新的观测机会。考虑到TMT能够运行数十年，而天文学的进步和新领域的出现常常是很快的，这里我们只宽泛地列出今天能够预想到的使用TMT的几个关键方面。中国已经在这些领域建立了许多很有活力的科学小组，加入TMT能使这些小组得到第一手的、最先进的观测数据，充分地提高他们的研究水平。 需要强调指出，作为一个通用望远镜，TMT的成就可能在那些我们还未曾开始研究的领域的未知上。正如哈勃望远镜和Sloan数字巡天(SDSS)的主要发现都不是它们起初预想的科学目标一样。 TMT将能够探查太阳系外行星系统的形成过程和物理性质。目前用不同方法（视向速度法、掩星法以及微引力透镜法）发现的超过400个系外行星系统表明我们的太阳系也许是一个并不合规范的例外。TMT将能够帮助我们在这个领域做出根本性的发现。使用视向速度法，TMT可以把系外行星的探测范围扩展到类似地球质量，也可以探测到那些比太阳更暗的其它类型恒星的行星系统。TMT还能用于研究原行星盘的运动学特征，拍摄和分析行星大气对恒星的吸收光谱，或者通过反射光和它们自身的发光直接对系外行星成像。 TMT将可以对暗物质和暗能量的性质，以及基本物理常量是否随宇宙时间而变化提供重要限定。暗物质的性质可以通过许多方法测定,比如引力透镜效应、矮星系的动力学特征，或者Lyman-alpha星云的小尺度结构探测，而暗能量的性质则可以通过Lyman-alpha星云研究或者高红移超新星的深度巡天来限定。 TMT将可以在整个宇宙时间尺度上对大质量黑洞进行调研。TMT有能力探测远得多的星系的中心大质量黑洞和那些质量比较小的大质量黑洞。人类将第一次收集到一个具有统计力学意义的大样本来研究黑洞与星系质量、星系动力特征、星系形态的关系，研究从附近一直到红移0.4处（如果和其他技术手段结合甚至可以探测得更远）的黑洞的演化。TMT将可能测量到高轨道偏心率恒星的广义相对论效应，从而使用更加基础的方法来研究银河系中心的大质量黑洞。 TMT将对天体物理学的一个突出问题宇宙的“第一缕光”做出重大贡献。在红移大约，宇宙万岁时，它经历了一个电离粒子的复合过程，从而进入了我们所称的“黑暗时代”。“黑暗时代”结束于第一个光源的产生。TMT和詹姆斯韦伯空间望远镜（JWST，将于年发射，预计使用寿命年）的协作，将可拍摄第一代光源的光谱，为我们研究它们的物理性质以及第一代天体对宇宙的初次化学增丰提供详细信息。 TMT可怕的集光能力使我们能够观测到遥远的星系（而不仅仅是类星体），来解析我们视线方向上的宇宙结构。高得多的可探测天体密度使我们了解宇宙三维物质结构分布成为可能，不论是在大尺度还是在小尺度结构上。这项研究还将能使我们探测暗物质暗能量的本质，验证物理常量的恒定性，并通过分析结构的形成过程来探索宇宙的化学增丰历史和回馈机制。 TMT将可以用于研究宇宙在不同尺度上的形成过程：从行星（如上文所讨论的）、恒星到星系。它将揭示星系的形成演化如何随周围环境的不同而变化，如何被来自恒星形成和活动星系核的反馈过程所影响。很显然TMT能够做出贡献的潜在科学领域是多种多样的。本文参考三个三十米级望远镜项目的科学目标文档 Giant Magellan Telescope Science Case (July 2006); TMT Science Advisory Committee, Thirty Meter Telescope Detailed Science Case (2007); www.eso.org/sci/facilities/eelt/science/index.html，按照中国天文学的重点领域进一步展开，根据不同研究主题分为数个部分。每个部分的基本结构如下：1. 未来20年本领域的关键性科学问题是什么？2. 当前研究现状介绍3. 详细探讨为什么TMT对该领域研究是必不可少的4. 本领域中国天文学界的优势与弱点i. 中国目前拥有的研究小组ii. 确定在哪些领域中国研究小组在学生培养和团队建设方面需要加强以提高竞争力。5. 可能的TMT观测计划i. 与其它中国设备的互补：SVOM, FAST, DOME-A, HXMT?ii. 在当前阶段我们可以用8-10米级望远镜做些什么？4.1 系外行星探测和性质的研究寻找地球以外适合人类生存的环境一直是人类的梦想。二十世纪末，人类在飞马座51号恒星周围首次探测到系外主序恒星的行星。目前已经探测到的系外行星已超过400颗，太阳系外行星的探测与研究已经成为国际天文学一个非常活跃的领域。目前主要探测手段为测量由行星存在引起的恒星摆动（即多普勒视向速度方法），该方法倾向于发现在恒星近邻轨道的行星（周期在几年以内的气态巨行星或者是几十天以内的类地行星）。微引力透镜方法适合发现在中等距离轨道（23AU）上的行星，而在当前精度下直接成像适合观测在较远轨道上（几十天文单位以外）的气态行星。目前以上几种观测方法适合的范围各不相同，还不能对同一系统进行从近轨到远轨的同时探测。此外，当前行星系统样本在恒星类型上的不完备性（比如当前精度很难探测质量较小的晚型星周围的行星），以及对每个行星系统本身探测的不完备性（缺乏长周期的或者质量比较小的行星），为我们研究行星形成理论造成了很大困难。TMT独特的视向速度精度和直接成像技术，可以同时得到一个行星系统从周期几天到几个世纪轨道上的行星，如此得到的完整样本对于行星系统的形成理论以及统计力学研究具有重要的意义。结合掩星探测可以得到类地行星、气态行星、冰巨行星的结构,大气成份,以此可以进行比较行星学的研究,包括银河系不同位置行星之间的差别。此外，通过对这些行星的表面与内部结构、轨道演化、大气成份、卫星系统的深度研究，可以探索可居住行星的普遍性，这对研究生命起源与繁殖具有重要意义。TMT预期的主要科学贡献：1）视向速度方法探测太阳系近邻的系外行星TMT将装备高分辩率光学分光镜（HROS），其光谱分辨率R达到3000050000，使得通过多普勒视向速度探测的范围增加30倍左右。加上 TMT的10倍于KECK的集光面积，可以在相当短的时间内达到所需要的视向速度精度，使其可以在一年内探测到围绕早期M型矮星的几十到几百颗轨道周期在30100天的行星候选体。利用TMT可开展太阳系近邻的系统搜索，尤其是已经发现气态行星的行星系统，看是否存在类地行星，其分布特征是否与太阳系相同，在可居住区内是否存在类地行星。系统的搜索还可以给出不同类型恒星的行星拥有率，与主星物理特性的联系，行星质量、轨道分布特征等，这些对于研究行星形成、物理与动力学至关重要。2）系外行星的直接成像TMT的自适应光学系统(AO)以及红外成像分光仪(IRIS)，结合日冕仪成像技术和精确天体测量，可以探测离主星较远距离（50AU）、与主星相比具有中等对比度（103-5）的早期(年龄小于10亿年)自发光的气态行星。更靠近恒星的行星需要高对比度的成像技术。TMT及其行星形成仪（PFI）设计在低谱分辨率(R70)下能达到108的对比度，可以对100pc以内在0.550AU轨道上的0.5-12木星质量的行星直接成像.利用TMT的行星成像可对远距离轨道上的行星进行系统搜索,从而进行统计研究。通过对其内部结构的拟合，可以推断其形成机制是引力不稳定性还是核吸积。通过中等距离轨道上的成像，探索类似太阳系的行星系统。探测更多围绕褐矮星的行星系统，发展褐矮星行星系统的形成理论。3）从吸收线探测行星大气凌星过程中恒星光谱被行星大气中分子的吸收可以产生吸收线。这些特征可以被TMT及其高分辨率分光计所捕捉。模拟表明3小时的TMT/HROS观测，可以探测到一个M型星可居住区内类地行星大气中的氧（生命存在的重要表征）是否存在。12.5微米的TMT/NIRES(近红外阶梯光栅分光仪)系统可以探测到水,二氧化碳以及甲烷的存在.利用TMT可以在一些类木行星中探测水、二氧化碳以及甲烷的存在，在类地行星大气中寻找氧和其他生命特征。4）原恒星盘探测原恒星盘存在时标以及气体粘滞是两个决定行星形成模式的重要参数。TMT/MIRES(中红外阶梯光栅分光仪)具有很高的流量敏感度和空间分辨率，可以利用分子（如氢分子）和原子作为示踪器来观测限制原恒星盘的演化时标。此外，通过红外能谱（盘中尘埃发出的红外超），光学测光(紫外超)和分光计（沿磁层吸积的线轮廓）等技术，可以对正在吸积的原恒星盘进行观测，以探测其在行星形成中盘的空洞的存在，从而对行星形成理论给出限制。MIRES的中红外分光仪适合探测原行星盘中的有机分子。利用TMT可以系统地探测原恒星的盘消散时标，探测原恒星盘内部以及盘中间的空洞，并与行星的视向速度法探测相配合。TMT可用于探测原恒星盘中的有机分子，并与太阳系的有机分子进行比较。4.2 基础宇宙学在人类历史的长河中，对宇宙的探索是天文学研究的主要推动力之一。随着观测仪器的发展与进步，我们对于宇宙的基本认知也不断地深化。近十余年来，天文观测取得了一些重大的进展，Wilkinson微波背景各向异性探测器(WMAP)，Sloan数字巡天(SDSS)和超新星巡天等对宇宙学参数的精确测量，不仅使宇宙学的研究步入了“精确级”的辉煌时代，同时也提出了一些重大的挑战。例如，天文观测告诉我们由粒子物理的标准模型描述的普通物质只占宇宙组分的4%，而23%是不与其它物质作用（或作用极其微弱），但可通过引力成团的暗物质，其余的73%则是既不与其它物质作用（或作用极其微弱），又不成团（或只在接近整个可观测宇宙的尺度上成团），但使得宇宙加速膨胀的暗能量。寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘，结合了粒子物理和宇宙学两大学科的研究已成为21世纪天文学和物理学的一个重要趋势。专家们普遍认为暗物质、暗能量理论的突破很可能会引发一场基础物理的革命。为此，世界各国都在组织力量，积极开展理论研究，策划（天体）粒子物理实验和大规模天文巡天项目，以推动这一重大交叉学科的发展。作为21世纪最重要的下一代地基天文观测设备之一的三十米光学/红外天文望远镜 (TMT）将具有从光学到近红外波段的极其强大的观测能力，从而在宇宙学研究的前沿发挥关键作用。以下，我们阐述TMT在暗物质、暗能量和基本物理常数恒定性方面的应用。尽管探测暗物质粒子的地下和空间实验已进行了十几年，最近也有一些可能成为探测事例的结果被发表，但确凿的暗物质粒子探测事例仍在搜寻中。即使暗物质粒子在实验室里被探测到，它的物理属性仍可以通过天文观测来限制。例如，暗物质粒子的质量和相互作用截面等性质决定了暗物质在小尺度（小于1Mpc）上涨落的统计性质，不同的暗物质粒子模型会在这些尺度上产生不同的功率谱，其差别可以达到几十倍甚至上百倍。随着暗物质反应截面的增加，星系暗晕也会产生中心核结构。TMT将通过多种手段测量小尺度上的物质分布：一方面，它可以利用光学/近红外高质量成像，通过强引力和弱引力透镜效应来测量星系和星系团的暗晕密度分布以及子晕结构；也可以利用积分场单元光谱仪（IFU）或多目标光谱仪，通过恒星和星系的速度弥散来测量星系和星系团的暗晕密度分布。另一方面，TMT高分辨率光学光谱仪可以在很大红移范围内获得大量的类星体光谱，通过这些光谱中的Ly森林（类星体光子在传播途径中被中性氢吸收的系列谱线，尺度在0.1Mpc量级）间接测量小尺度物质功率谱，从而限制暗物质粒子的属性。总而言之，TMT提供的观测数据对于任何直接与间接研究暗物质粒子性质的物理实验，以及对撞机“生成”暗物质粒子的实验来说都是极大的补充。宇宙加速膨胀的发现引出了一个更具挑战性的的问题:暗能量。与暗物质一样，暗能量也构成了宇宙中不可见而又不可或缺的一部分，它被认为是基础物理学乃至更深层次研究的切入点。而与暗物质不同的是，暗能量在星系和星系团的尺度上没有观测效果，只能通过更大的尺度上的距离和结构演化的历史来间接测量。此外，暗能量仅仅是宇宙加速膨胀的一种解释。另一种被广泛讨论的可能性为引力在极大或极小的尺度上偏离了我们现在熟悉的四维广义相对理论。具有高质量成像与高分辨率光谱能力的TMT项目可以为更好地检验这些模型提供一系列验证方法：TMT具有强大的集光与红外观测能力，所以可以很容易地获得大量高达z4处的Ia型超新星光谱。很高红移处(z2)Ia型超新星的光度距离对宇宙平均曲率参数Wk的变化非常敏感，能够克服低红移Ia型超新星对暗能量模型的限制依赖于Wk的先验假设的缺点。TMT可以利用其优势，对Wk进行有效的约束，结合其他低红移的巡天项目，更精确地限制暗能量状态方程的参数。此外，TMT得到的超新星数据可以用于研究高红移处的暗能量性质，Ia型超新星族随时间的演化，以及Ia型超新星自身的物理过程。检验广义相对论对于理解引力以及理解暗物质和暗能量来说都是至关重要的。TMT可以通过引力透镜效应和星系速度弥散两种方法测量星系团质量。在广义相对论中引力透镜质量与动力学质量是相同的，而在其它引力理论中这两个质量可能不同，它们的差别可以用参数化的后牛顿（PPN）参数g来量化。利用光学与近红外高质量成像和多目标光谱仪，TMT将极大地提高星系团质量测量的精度，对g参数进行可靠的测量。通过TMT成员的协同努力，TMT可以完成一个数平方度的红移巡天，获得上百万条星系光谱。这些光谱可以用于更精确地测量红移畸变以及大尺度本动速度，在此基础上宇宙结构增长率的测量精度可以达到10%。单单这项工作已经可以检验广义相对论并鉴别各种引力模型。若与超新星测距工作相结合，我们可以进一步验证宇宙距离与结构增长率之间的广义相对论一致性关系。目前的标准宇宙学框架建立于诸如精细结构常数和光速这样的基本物理常数的恒定性之上，任何基本物理常数随时间的变化都将改变我们对宇宙的根本看法。所以对于这些基本物理常数的恒定性的检验同样引起了TMT项目的强烈兴趣。上文提到的Ly森林观测就可以用于这方面的研究，但是所使用的不再是中性氢的吸收线，而是一些金属线。比较理想的方法是利用一组对精细结构常数a不敏感的跃迁线来校准对精细结构常数a很敏感的跃迁线的波长，从后者波长的变化来确定a的变化。目前结果表明，红移2.5以内a变化|a/a|小于10-6，TMT的高分辨率光谱仪可以实现在更高红移处（也即更长时间基线上）对a变化的限制。编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第37页 共37页4.3 黑洞的形成和演化：过去二十年中在黑洞领域的重大发现之一是观测证明在近邻的正常星系中心存在大质量黑洞。这一发现证实了在上个世纪六十年代提出的在近邻宇宙中存在类星体遗迹的预言。目前，通过恒星或气体动力学的方法，我们已经测量了近五十个近邻星系内的中心黑洞质量。统计研究显示这些黑洞质量和其寄主星系核球成分的特性（例如，恒星速度弥散、质量、光度）紧密相关，这表明黑洞的成长和星系形成和演化密切相联。人们通常认为星系核活动阶段的反馈作用是导致黑洞和星系的共同成长演化的内秉纽带，然而具体物理作用过程仍然不清楚。黑洞在矮星系、球状星团、旋涡无核球星系中是否存在，以及若存在它们是否遵从已发现的黑洞与星系关系仍是未知。对于宇宙中大多数遥远的大质量黑洞，由于其引力影响半径远低于望远镜的空间分辨本领，对其质量的测量难以采用动力学方法。而活动星系核中心的大质量黑洞则不同，它们具有超强的辐射和丰富的观测特征，因而可以在更为遥远的宇宙中被探测到。目前已观测到红移高于6的类星体，表明在宇宙年龄仅为百分之几的时期就已经有质量高达千万太阳质量的超大质量黑洞存在。很早就有研究表明活动星系核与星系中的恒星形成很可能相关。无论是从大质量黑洞的成长还是黑洞与星系的共同演化角度来看，活动星系核是星系演化过程中的重要环节。这是因为在这一阶段大质量黑洞会通过各种反馈作用于星系，影响星系的演化，而黑洞本身则通过吸积使其质量得到增长。但这些预期的图像的详细物理过程在目前还很不清楚。银河中心也存在一个距我们最近的大质量黑洞。在银河中心0.04pc以内已探测到一些绕银心作开普勒运动的恒星。对这些恒星运动轨道的观测提供了银心存在大质量黑洞的最强证据以及星系中心黑洞质量测量中最准确的一个，这是过去十年内在有关银河中心的研究中最重要的进展。 目前，探测到的距黑洞最近的恒星的轨道运动周期约15.8年，其近心距约70AU。如能观测到距黑洞更近的恒星的轨道运动将有可能帮助探测广义相对论效应。对银心另一个有趣的发现是其在射电、亚毫米、红外、乃至X射线等多波段存在耀斑现象。这些耀斑的起源仍是未知。对于红外耀斑是否存在准周期震荡(QPO)现象仍然存在争议。TMT预期的主要科学贡献：TMT的大口径、高空间分辨率、三维成像光谱观测能力、高精度的天测(astrometry)能力将会在近邻宇宙中黑洞探测、银河系中心黑洞、高红移黑洞和活动星系核等相关领域产生极大的推动作用，并可能伴随着对黑洞物理理解的重大突破。具体简述如下：1） 黑洞和星系特性的关联：通过动力学方法测量黑洞质量的一个重要条件是观测能在空间上分辨黑洞引力所能影响的区域。TMT的高空间分辨率将使我们有可能分辨红移远至0.1(或0.4)的108(或109)太阳质量的黑洞引力影响的区域,也有可能探测距我们1Mpc(或3Mpc)范围内的质量小至103(或104)太阳质量的黑洞。TMT的巨大口径使探测较暗的星系中心(例如，M87中心)成为可能。TMT 的积分场单元光谱仪还能够比通常的长缝光谱提供更多更完备的有关黑洞附近恒星运动速度场的信息，这对测量有复杂动力学结构的星系中心区尤为重要。利用TMT，我们可以考察在矮星系或球状星团中是否存在中等质量黑洞，研究黑洞和星系核球成分的相关是否在不同星系类别中有所不同以及这种关系随宇宙时间是如何演化的，进而加深对黑洞的形成、演化和其与星系形成和演化关系的认识。2） 银河中心的大质量黑洞质量、自旋、和广义相对论效应：银河中心为我们提供了一个研究黑洞附近的恒星动力学和广义相对论效应的独特实验室。TMT在K波段的星等探测极限为22等,天测位置精度小至30as,径向速度精度在10km/s以内；因此，配有自适应光学系统的TMT将能够发现更多距黑洞更近的(较暗)恒星以及揭示更多来自银心最内区近红外辐射的信息。我们可以利用TMT更准确的测量银心黑洞质量和限制黑洞附近物质分布，探测造成恒星轨道进动的广义相对论效应和可能来自黑洞自旋的标架拖曳效应。TMT还可探测银心红外耀斑的光变、偏振和光谱，进而帮助理解耀斑物理并解决QPO现象是否存在等争议。如果耀斑来自在近黑洞最小稳定圆轨道运动的物质，也有可能通过TMT对其精确的位置测量而提取有关黑洞的质量和自旋的信息。3） 黑洞和星系的共同演化：TMT的接近衍射极限的高空间分辨本领和三维成像光谱观测能力是观测活动星系核寄主星系的最为适合的设备。其红外探测能力使我们可以观测高红移处的目标。这些观测可以获得从邻近到早期的宇宙历史时期的活动星系核寄主星系的各种各样的观测性质，使得我们可以考察在宇宙早期(高红移处)的黑洞与核球关系及其宇宙学演化，研究活动星系核(黑洞吸积)和恒星形成的关系，探测双活动星系核等。这些观测还可以用来寻找大质量黑洞对星系的反馈作用、提供黑洞的吸积燃料是如何转移到核区的直接证据，研究活动星系核的触发的机制等。4） 宇宙中黑洞的整体普查：TMT将探测到更早宇宙时期的活动星系核和大质量黑洞，也可以探测邻近宇宙中质量更小的星系中心的中等质量黑洞。这些观测将对我们理解黑洞的形成和演化，甚至星系的形成和演化提供非常重要的数据。TMT还可以用气体动力学方法直接测量邻近宇宙中更远和更多的活动星系核的黑洞质量，并对常用的活动星系核黑洞质量估计方法的进行定标。5） 活动星系核结构和动力学：TMT可以很精细的研究活动星系核窄发射线区的动力学和结构，尤其是它的内区。并将有可能直接探测到活动星系核模型中所预言的尘埃环。4.4 恒星形成恒星形成是现代天文学的关键问题。恒星形成导致了宇宙中绝大部分可观测结构和重元素的起源。关于宇宙学和大尺度结构的很多近期研究结果是基于暗物质及暗能量的重力模拟。直接检验这些研究结果， 需要可信的，定量的恒星形成理论, 因为除微波背景外的可视宇宙是通过恒星形成过程建立的。恒星形成也是行星形成和生命起源的必要步骤。要科学的理解这个世界和它所处的星系， 我们要研究有关恒星形成中尚未解决的基本问题: 恒星形成与环境的关系，恒星形成的效率，以及恒星形成在星系演化中的作用。通过观测银河系、邻近宇宙和高红移宇宙里恒星形成过程尤其是各系统的年轻星体，TMT对回答上述问题将有重大甚至革命性的贡献。恒星形成是一个复杂过程。其间重力 热力学，激波，湍流，化学演化等过程相互耦合。六十年前人们就发现银河系内恒星的初始质量函数（IMF)在观测中守衡，这一理论经住了不断发展的观测的反复验证，却迄今没有普遍接受的解释。在缺乏物理基础和直接检验的条件下,基于银河系的恒星初始质量函数被广范应用于宇宙学模拟和星系演化模型。相对于十米级的望远镜，TMT的波束延展核有约四倍的改进 （0.02”）， 光子计量灵敏度有两个数量级的提高。这些优势使得TMT可以开展前所未有的对银河系及邻近星系恒星构成的普查。模拟计算表明，TMT可以彻查致密星团的构成：在银河系及大麦哲伦系里得到直到0.01太阳质量（褐矮星）的完备样本；在 M33距离上得到低至太阳质量的完备恒星样本。TMT提供的邻近宇宙的恒星构成样本，尤其是在不同恒星形成条件下的区域比较 （例如银心大质量反常星团），将给任何试图理解初始质量函数的理论工作以及试图将它推广到遥远星系的应用研究提供观测基础。高光谱分辨率是除空间分辨及灵敏度之外，TMT的另一重大技术发展。以MIRES为例，其 l/dl 120,000分辨率意味着 3 km/s 速度分辨率。在中红外波段, 这样精细的动力学分辨率和高灵敏度的结合是TMT独有的。千米每秒的速度分辨和行星形成的动力学过程尺度吻合。中红外波段富含分子振动或振动转动谱线。例如宇宙中的主导分子中性氢分子,在MIRES波段里有三条重要谱线：S(1)17.04 mm, s(2) 12.28 mm, 和 s(3) 9.67 mm。这些谱线在约几百到几千度的温度下被激发，适合示踪塌缩致密核芯及靠近年轻星体的气体状态。TMT可以在 1kpc 的距离上分辨 100Au 的空间尺度，从而使系统观测邻近太阳的年轻星吸积过程成为可能。通过研究合适的分子原子探针，TMT将成为理解恒星形成的物理过程，尤其是塌缩和新星反馈的重要工具。在中红移宇宙，恒星形成更加活跃。比太阳亮1012倍的超亮红外星系 （ULIRG)是我们观测的重要样本。ULIRG富含尘埃和气体，大多数正在经历聚合或其他剧烈演变。因其高度消光和共存活动星系核的影响，准确解释ULIRG的亮度和恒星形成的关系非常困难。对于Z0.15的星系，氢原子Paschen 谱线系红移进入 Kband, 不再受地球大气水分子吸收带影响，从而使地面观测成为可能。使用TMT，我们可以研究红移0.15至1以上的亮红外星系中的氢原子发射线系。在这一公认的星系形成、宇宙进化的关键时段里，TMT提供了一个测量恒星形成速率的独特手段。在高红移宇宙，TMT对恒星形成的研究重点转移到星系的尺度上。包括银河系在内的大量星系有显著的螺旋星盘结构。上世纪发现的旋涡星系的本征亮度和转动速度的相关(Tully-Fisher Relation)为宇宙测距提供了标准烛光。为了测量星系螺旋起源时间，尤其是对当代宇宙中大量经过碰撞聚合仍然相对完整的星盘结构给出解释，我们需要将观测视界扩展到红移Z 2。TMT可用于直接检验Tully-Fisher关系的存在和演化。通过统计恒星形成的比重和星系尺度上的速度弥散，TMT将对星盘结构的成因和演化过程的观测扩展到了高红移的宇宙早期阶段。 TMT的高空间分辨率, 高光子灵敏度, 高光谱分辨率和极大的光谱覆盖范围为我们提供了多样化研究宇宙演化各个阶段恒星形成的手段。TMT的结果将成为我们理解恒星形成物理本质，理解可观测宇宙结构, 尤其是星系演化的观测基础。4.5 星系的形成和演化宇宙学的众多观测，如微波背景的温度扰动、星系的大尺度成团特性、高红移Ly吸收森林的成团特性等，都表明我们处于冷暗物质为主的平直（LCDM）宇宙中。而且我们可以对宇宙的一些基本参数进行可靠的测量。在这一背景下的星系形成和演化可以分为两步来考虑。首先，宇宙早期的微小扰动在引力不稳定作用下会逐步增长，最后塌缩为位力化的暗晕。其次，和这些暗晕相关的重子物质会在暗晕中央冷却、凝聚，达到一定的临界值后经由恒星形成而成为星系。而冷暗物质为主的宇宙又决定了结构的等级成团：小暗晕并合而成大暗晕，附带星系转化为星系群或团；而星系-星系的并合可能是椭圆星系形成的主要机制。理论的第一部分暗晕的形成，已经在很多模型如PS理论、球或椭球塌缩模型，尤其是数值模拟中得到了充分的讨论。研究结果已经能给出冷暗物质晕特性的精确描述，例如它的质量函数、空间分布、形成历史和内部结构等；构成了研究星系形成的基石。而理论的第二部分，由于涉及复杂且没有完全理解的重子过程，比如气体冷却、恒星形成、各种反馈等，离成为自洽的理论还有很长的路要走。尽管近二十年来这一方面的研究取得了许多重要的进展，星系的形成和演化理论仍存在一些非常严重的问题：例如，如何预言星系光度函数的暗端斜率；如何解释理论预言中太快的盘星系旋转速度。而且目前的模型还不能预言正确的星系质量函数随红移的演化特征，不能预言红色卫星星系的比例，等。产生这些问题的主要原因有三个：第一个可能性是目前的理论中还缺少一些至关重要的成分或已有的成分没有正确反映真实的物理过程；其次，目前的观测数据在限制模型参数时还存在兼并问题，因此一些参数空间还没有被考虑；最后，不同的观测之间可能存在系统误差，例如观测的星系质量函数演化和观测的恒星形成历史就不相符。实际上在几乎所有的科学研究领域，其不断进步的原动力往往来自更多更好的数据。近十年内，由于大的光谱红移巡天的实施，比如2dFGRS，SDSS，我们能够得到的临近宇宙的观测数据有了质的飞跃。对于稍高红移z1巡天，尽管最近已经有一些观测，如DEEP2和zCOSMOS，这些巡天的体积/天区要远远小于低红移巡天。而在更高红移z1，即使把目前所有的星系观测加在一起，所给出的光谱数据也是有限的。有了TMT，它的深度光谱数据将允许我们探讨整个宇宙历史中的星系特征，以及它和暗物质成分、气体分布之间的关系。我们可以研究到红移z2的星系质量函数的演化，可以在非常高的精度上研究临近宇宙的物质分布，研究红移z1的星系化学丰度演化，利用QSO的吸收线在很大的红移范围内研究气体的状态和分布，研究到红移z1.5的强引力透镜，寻找最高红移的星系，等等。下面我们就一些具体的科学课题作一定的展开讨论。1） 星系的光度函数或恒星质量函数：星系的光度函数或恒星质量函数是描述宇宙中所形成星系数密度的基本观测量，它直接告诉我们宇宙中发光物质的总量及其存在的形式。目前的星系形成理论在解释邻近宇宙星系光度函数的暗端和亮端都存在问题。在这一领域，TMT将有可能帮助我们建立自洽的星系形成模型。TMT极大的集光能力允许我们测量非常暗弱的星系，以巡天模式给出不同红移星系光度函数暗端的精确测量，帮助我们探讨宇宙的演化历史及其对星系形成的影响。或者TMT可以对星系团成员星系进行高完备度的重复观测，给出星系团内暗弱星系光度函数的精确测量；结合暗晕吸积理论我们也可以探索星系的演化。另外，在解释大质量星系的演化过程中，一种可行的机制是存在暗晕内弥散恒星，TMT的高分辨率允许我们从观测上来证认这一成分。2） 星系动力学与星系演化：从暗物质研究，到探索星系的各种物理性质，星系动力学在天体物理研究中具有重要的作用。TMT的高灵敏度和高分别率，加之红外IFU设备，使得其在星系动力学研究，特别是获取高红移星系动力学信息方面具有独特的优势。如，利用TMT可以对相对暗的近邻星系进行详细的动力学研究，从而有效地扩大其样本；同时，对中等红移及高红移星系的动力学分析，使得我们能够详实的了解星系各种性质，如Tully-Fisher关系，FP关系等的演化，从而深入认识影响星系形成与演化的各种物理过程。另一方面，利用IFU观测，TMT可以得到相对大量星系（不同类型，不同红移）的二维的动力学信息，从而极大地丰富我们对于星系恒星形成触发，演化及中止这一整体过程的认知。3） 星系的化学演化：研究星系中各种元素丰度的变化，是我们了解星系的形成和演化、以及星系中恒星形成历史的重要手段。利用TMT的IRIS仪器(IFU)，可以观测z1的EROs、BzKs、LBGs等星系的光谱，分析光谱的吸收线和发射线，可以研究星系的星族特性和金属丰度；利用TMT的WFOS，还可以观测近邻星系和一些低表面亮度星系的三维光谱，研究这些低红移星系的二维特性。此外，可以利用TMT，对LAMOST和BigBOSS观测得到一些特殊星系，如金属丰度特别贫的星系，进行后续观测。最后，比较不同红移星系的元素丰度，了解元素丰度变化与星系环境和星系其它物理量的关系，研究星系元素丰度随红移的演化。4） 星系际介质: 观测表明宇宙中，尤其临近宇宙中主要的重子物质并不在星系中，而是以星系际介质的形式存在。在大尺度上重子物质和暗物质由于受共同的引力作用，其结构演化存在耦合性，因此对星系际介质的研究可以帮助我们测量暗物质的分布行为、进行宇宙学的研究。另外作为星系形成的源泉，星系际介质的分布和状态对理解星系的形成和演化有至关重要的作用。TMT/WFOS对给定Lyman-break 星系和类星体位置的深度观测，以及TMT/HROS 对给定类星体的高精度光谱观测，可以帮助我们研究星系际介质的金属增丰，研究星系-星系际介质之间的相互作用，研究