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院士争论12米口径光学红外望远镜方案 百名海内外青年学者发联名信
关键字: 12米口径光学红外望远镜院士争论大望远镜方案大望远镜方案青年学者联名信望远镜三镜和四镜之争12米口径光学红外望远镜是“十三五”时期优先布局的10个重大科技基础设施建设项目之一。目前,中国最大口径的光学望远镜是位于兴隆的郭守敬望远镜。不过,这台4米口径的光谱巡天望远镜适用于专门任务,而中国的通用光学望远镜还停留在2米级,远远不能与国际上一批一流的8-10米级通用光学望远镜相比。大口径通用光学天文观测设备的空缺,已严重掣肘中国的天文研究。要知道,美国早在1917年就建成了2.54米口径的胡克望远镜。
目前,欧洲南方天文台正在智利建造39米口径的欧洲极大望远镜(E-ELT)。美国牵头其他国家,筹建22米口径的大麦哲伦望远镜(GMT)和30米口径的三十米望远镜(TMT)。
加入三十米望远镜团队,直接搭上超大望远镜的“顺风车”,一度是中国迅速填补空白的备选方案。然而,由于三十米望远镜的选址,夏威夷的莫纳克亚火山峰顶是当地的“神山”,项目遭遇土著居民的抗议,陷入僵局。至此,中国自主建造12米口径光学红外望远镜势在必行。
(注:虽然中国“天眼”FAST射电望远镜暂居世界最大,但是在大型光学望远镜集光面积仅占全世界2%,与发达国家相比差距巨大。全世界14架8—10米口径的光学红外望远镜,没有一架在中国。现有光学红外望远镜“在对天体进行高分辨精细观测上远不能满足我国天文学家的要求”。)
夏威夷10米级的凯克双镜
不过,这远非尘埃落定。随着天文学界就建设12米口径光学红外望远镜达成共识,两种不同的建设方案也浮出水面。经历了多方论证、国际评估、几番转折,“三镜”和“四镜”之争从国内蔓延到国际,从学界蔓延到公众。
马冬林称,2017年6月30日,国家天文台在参考华中科技大学三镜系统设计方案的基础上,撰写了“国家重大科技基础设施建设项目—大型光学红外望远镜项目建议书”,并提交给中科院,拟通过中科院上交国家发改委。
2017年7月10 日,“迫于南京天光所崔向群院士和苏定强院士的压力”,中科院在内部重新组织评审小组针对 LOT 望远镜概念设计方案进行了新一轮评估。最终的评审结果是 11 票支持、3 票反对、7 票弃权,推荐四镜方案为 LOT 项目建设的参考方案。
争议很可能造成望远镜的“难产”。据《知识分子》报道,中科院条件保障与财务局曾回复陈建生:“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。”
8月8日,澎湃新闻致电国家天文台,对方表示暂不能就争议事件给出任何回应。
论辩双方关于12米望远镜方案之争
陈建生在写给中科院条件保障与财务局的信中提出几点质疑(观察者网已得到授权转载信件全文):
“在技术路线上,我们认为12米望远镜是一项极其困难,极其挑战的项目,是因为这个项目要在海拔5000米以上极其艰难、恶劣的条件下建设极其精密、极其宏伟的工程,是因为这个工程要在5年时间,有限经费下建成, 尤其是因为我国在建设望远镜方面, 特别是大型望远镜方面极其缺乏经验,缺乏人才。我国在通用型望远镜建造的最大望远镜是2.16米望远镜,即使这样小的望远镜,在当时就不是一个先进的望远镜。 建造口径最大的专用望远镜LAMOST, 也不是非常成功的望远镜,它的有效通光口径是4米,但其性能不及美国SLOAN的2.5米望远镜。 从这样的基础一下跳跃到12米,可以想像会有多大的风险!”
“他们(崔向群、苏定强)两人是搞技术的,不是搞天体物理,他们武断地认为国际上30米级望远镜建成后,12米望远镜的地位就下降, 所以要建主焦点大视场照相机,做光度和光谱巡天。这个分析是错误的。中国已不需要用12米望远镜做大视场光度巡天,因为国家已立项,在2022年左右发射空间站,其中最重要的载荷就是2米巡天望远镜, 在光度巡天方面,一台2米空间望远镜要远超过12米的地面望远镜。(因为空间望远镜的像质是0.15角秒,而12米地面望远镜的像质是1角秒,来自天光背景的噪声差40倍,再加上地面天光背景比空间亮至少1个星等,合在一起噪声要高过5个星等,像质更没法比。)在多目标光谱方面, 正在起动的在夏威夷优质台址上建造10米口径专用光谱巡天望远镜, 我国12米望远镜主焦点根本没有竞争力, 更何况,巨额花费,10年工期, 以及使用上带来的许多复杂问题。
陈建生认为,错误的技术路线和错误的科学路线导致苏定强、崔向群错误的望远镜方案,主要错误有三点:
一, 把望远镜设计的非常复杂,望远镜安排4个焦点: 主焦点,莱焦,卡焦和折轴焦点,面面具到,不是有所为有所不为。这样势必增加技术复杂性,增加风险,增加经费,增加工期,而对主要科学目标和技术性能并没有带来好处。
二,把主焦点大视场作为望远镜的亮点。错误地认为30米望远镜建成之后,12米望远镜没有地位,因此要把主焦点大视场作为望远镜亮点。我在前面已说过,主焦点大视场并不能给12米望远镜带来科学上的竞争力,而主焦点大视场照相机是技术上非常复杂,耗钱耗时的工程,根据日本8米望远镜主焦点项目负责人的估计,中国12米望远镜的主焦点照相机需要耗时10年,耗资5亿美元,而且照相机加上多光纤定位系统是一个庞大系统,更换焦点工作非常困难, 这对多功能望远镜要经常更换焦点工作会带来操作上的巨大困难。尽管崔向群也表示主焦点照相机不作为第一期工程,但望远镜设计保留主焦点发展的可能性。这就要求望远镜的主镜焦比f/数要大过f/1.6,比不留主焦点f/1.2的镜筒长很多,镜筒长,就增加圆顶的尺寸,大大增加圆顶造价。
三,采用4-镜系统。4-镜系统最大优点是在莱焦上20角分视场可以获得好设计像质,这对于没有大气影响的空间望远镜是绝对必要,但在地面观测受大气抖动影响,星像是由地面seeing 决定,无论3-镜还是4-镜得到的像质都一样,因此没有好处。
而其缺点是显著的,增加一面镜子就要增加反射损失,更重要的是4-镜系统里最后一面反射镜(M4)中央要开洞,会进一步损失光,而且视场越大洞就开的大,损失光就越多,因此为了少损失光,要多做几个M4,以便观测不同视场用不同大小的洞的M4, 这增加费用,还增加观测上的不方便, 另外开洞的M4会产生衍射,这种衍射在使用exAO (一种使光轴上的星像达到光学衍射极限的观测)就会严重影响光轴附近高空间分辨、高亮度对比的观测,如对系外行星直接成像观测,而这是12米望远镜极其重要的科学目标。
此外, 由于增加一面镜子,还带来许多其他的不利, 如增加镜筒长度, 从而增加圆顶造价, 占据了传统卡焦位置,从而牺牲了配置效率最高的科学仪器的可能等等。
4镜设计和3镜设计的不同在于在主镜(M1)后面:4镜在 M1 之后多加一个小镜子(M3),这导致 M2 需要做大、M4 需要开洞(另一个关键点)。关于12米望远镜设计方案中的4镜系统等问题,现在加州理工学院从事科研工作的青年天文学者陈昱对此作出了详细的解释,观察者网已获得授权转载。
对于陈建生提出的这些质疑,崔向群一、苏定强等人也以公开信回应,以下摘编信中关于望远镜方案的几点解释:
第一,“中国只有一架10米级的通用望远镜,当然要考虑到将来的长期需要和广泛的科学需求,和多个焦点。没有打算就在5年之内都建造,只是设计好,留有将来的可能。就连 Keck望远镜,GTC望远镜,SUBARU望远镜都是包括多个焦点,特别是Keck,所有的焦点都有,至今其主焦点还没有用过,但听说有国际上有天文学家在议论使用该主焦点了。当然目前12米望远镜考虑到急需,仅建造耐焦系统。”
第二,“已经解释过,主焦点是预留,并没有包括在5年建造内容中。陈建生认为主焦比F/1.6镜筒长增加造价的说法是极度缺乏专业知识的:(1) 目前世界上所有的 8-10 米级望远镜的主焦比都是F/1.8左右,我们的设计的主焦比F/1.6已经是最快的,镜筒将是最短的;(2)不要主焦点,焦比改为F/1.2,不仅不会因为镜筒更短省经费,还会因为焦比快,主镜制造难度加大或工作量加大增加更多经费,增加工期。”
第三,“关于望远镜的效率:(1)目前地面大望远镜的发展趋势不能仅仅是增加集光能力(口径 D),还要采用近地自适应光学技术克服地面大气的影响提高分辨率(即克服气流影响获得更小的天体的像d),也要扩大视场W,即望远镜的的观测效率是这三个参数共同决定的,另外效率还要根据焦面主光线是否有锥角导致光纤损光,以及是否有缩焦器增加损光,和终端仪器的光效率等一并计算的。4镜系统与欧洲ELT5镜系统一样可以获得很好的像质,即便多一块(ELT 是多两块)镜子,增加一点中心孔挡光,但是由于其光学系统极适合近地自适应光学技术,可以比三镜系统获得更小的像d,更大的视场W,因此对将来暗天体的观测效率将更高,并且有更好的发展前景。
“(2)4镜系统方案并不会因为增加一面镜子增加技术困难和仪器转换难度。这一点技术专家最清楚,应该相信专家。
“(3)将4镜系统的视场分为大、中、小三档,4镜系统的大、中视场的效率都明显超过R-C 三镜系统(高约25%-21%),只有在小视场效率少3%。因此总的说四镜系统的效率是明显超过R-C 的。
“(4)在4镜系统的小视场,平面转折镜可以很方便地换一块小孔的镜子,对高分辨衍射像没有影响,这也是4镜系统优于欧洲南方天文台39米望远镜5镜系统的亮点。
第四,“我们不仅研究和提出了4镜系统的方案,还深入研究了包括R-C 系统的各种三镜系统的方案以及5镜系统的方案,进行了认真的比较,结论是中国的望远镜不能复制美国30年前设计的10米望远镜(R-C 三镜系统),而应该坚持能很好地结合和应用当代新技术,又没有额外的技术风险的4镜系统方案。
翻页查看:《青年天文工作者就十二米光学红外望远镜设计方案的公开信》全文:
- 原标题:院士争论12米口径光学红外望远镜方案 百名海内外青年学者发联名公开信
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- 责任编辑:朱敏洁
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