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四个世纪前，伽利略将他的望远镜指向天空，天文学从此永远改变。在世界庆祝望远镜诞生 400 周年之际，另一场宇宙学革命即将到来：巨型麦哲伦望远镜 (GMT)、三十米望远镜 (TMT) 和欧洲特大望远镜 (E-ELT)——预计都将在 2020 年前首次观测——将使当今使用的最大天文台相形见绌。
最大的 42 米（138 英尺）E-ELT 将比今天的 10 米（33 英尺）光学望远镜收集多 15 倍的光。TMT 的主镜直径为 30 米（98.5 英尺），GMT 则提供 24.5 米（80 英尺）反射镜的分辨率，也将超越目前任何光学望远镜。
天文学家一直都想要更大的望远镜来分辨更微弱的物体。大直径望远镜，基本上是大型光桶，在给定的观测时间内可以收集更多的光子。更大的镜子还可以提高望远镜的角分辨率，即测量两个相邻物体之间分离的能力。
下一代大型望远镜是在 20 世纪 90 年代夏威夷莫纳克亚山上的 W. M. 凯克天文台取得的技术飞跃之后出现的。
“我们使用凯克望远镜已有 10 年了，我们看到了……10 米孔径的局限性，”加州理工学院天文学教授兼 TMT 科学顾问委员会主席查克·斯泰德尔说。“因此我们开始思考：将会出现下一代地面望远镜，（而且）我们需要现在就开始考虑它。”
建造天文台的竞赛部分原因是“不想落后”，斯泰德尔说。“有足够的科学研究可以使用这些望远镜的多个版本。……如果只有其中一个供全世界共享，那实际上将是一种遗憾，因为值得做的事情不止一个望远镜。”
但尺寸并非一切。这些望远镜将依赖于自适应光学技术，该技术采用可变形（改变形状）的镜子来消除大气湍流。预计这将使这些望远镜的性能与任何基于太空的可见光波长天文台（包括哈勃太空望远镜）一样好。总的来说，它们有望照亮一个时代，即第一批恒星和星系在 120 多亿年前照亮了虚空，探测系外行星的大气层，并揭开银河系中心以及遥远星系中超大质量黑洞的奇异物理学。
对于哈佛大学的理论物理学家兼天文学教授阿维·勒布来说，这些仪器将使研究人员能够为天文学的“宇宙相册”添加缺失的页面。
“为了更深入地探测宇宙，你真的需要越来越大的望远镜，”勒布说。“现代望远镜使我们能够看到宇宙只有十亿年历史时的星系。我们希望看到最早的星系。……这有点像是创世纪的第一章——‘要有光’。”
加州大学伯克利分校的天文学家保罗·卡拉斯使用哈勃望远镜拍摄了第一张系外行星的可见光图像，该行星被称为北落师门 b，距离地球 25 光年。他说，探测围绕其他恒星运行的行星光谱也可能在下一代望远镜的射程之内。“我们很幸运能够将其视为一个光点，但要分散光线并获得甚至低分辨率的光谱，这似乎超出了我们今天的能力，”卡拉斯说。
卡拉斯说，凭借前所未有的角分辨率和集光能力，新的望远镜应该能够如此清晰地聚焦恒星的光线，以至于天文学家将能够辨别出足够靠近恒星的行星，从而可能找到与地球相似的行星。此类行星的光谱分析可能会揭示生物标记，例如氧气、甲烷和一氧化二氮。
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预计 GMT、TMT 和 E-ELT 将与太空望远镜和其他地面天文台合作。例如，美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于 2013 年发射，它将编录宇宙中一些最遥远的红外物体。然后，三架光学望远镜将更详细地检查这些物体。
现代天文学本质上是一项多波长事业，部署不同的仪器来根据物体在电磁波谱中发射的光子类型（从无线电波到伽马射线）对物体进行表征。斯泰德尔说，这使得大孔径光学仪器越来越重要。“你将非常依赖这些仪器来理解通过其他设备发现的东西，因为没有什么比用大型孔径[望远镜]从地面进行光学或近红外光谱分析更灵敏的了，”斯泰德尔说。
预计耗资 9.5 亿欧元（约合 12 亿美元）的 E-ELT 由欧洲南方天文台赞助。候选地点位于智利、阿根廷、西班牙和摩洛哥。
TMT 在 2006 年的价格为 7.54 亿美元，是加州理工学院、加州大学和加拿大大学天文研究协会 (ACURA) 之间的合作伙伴关系。有两个候选地点：夏威夷的莫纳克亚山和智利阿塔卡玛沙漠的塞罗阿马佐内斯。
预计耗资 6.5 亿美元的 GMT 由华盛顿卡内基研究所和美国、澳大利亚和韩国的其他八个天文研究机构提供支持。计划在阿塔卡玛的拉斯坎帕纳斯天文台建造。
E-ELT 和 TMT 的设计相似，都采用薄的、分段的镜子排列成一个连续的主镜。E-ELT 的 42 米主镜将由 984 个部分组成，而 TMT 的 30 米主镜将由 492 个部分组成。
GMT 选择将七个 8.4 米（27.6 英尺）的蜂巢镜子安装在一起作为主镜。GMT 代理主任帕特·麦卡锡说，从机械上讲，这些镜子会非常坚硬，并且由于它们大部分为空心结构，因此它们会相对较轻。
这三个项目在争夺首次观测的竞赛中，尽管如此，它们还是分享了一些关于其科学目标、潜在地点的质量和其他挑战的集体知识。
“总会有竞争，一种体育精神，”E-ELT 项目科学家马库斯·基斯勒-帕蒂格说。“我们希望做出首次发现……但尽管有竞争精神，我还是希望这三个项目都能真正实现。”