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对于科学家来说,莫纳克亚山顶峰,这座位于夏威夷大岛的休眠火山,被选为三十米望远镜(TMT)的所在地并不奇怪。TMT是少数几个旨在推动21世纪地面天文学发展的下一代光学望远镜之一。
对于专业天文学家来说,稀薄的空气和头晕目眩是为莫纳克亚山在宇宙中占据前排位置而付出的微小代价。它拥有世界上最大的天文台集群之一,13座天文台由来自11个国家的科学家运营,这也就不足为奇了。“莫纳克亚山的夜空简直太壮观了,”加州大学天文台主任兼选择该山顶作为TMT所在地委员会的成员迈克尔·博尔特说,“当你在晚上走到外面抬头仰望时,就好像透过窗户直接看向宇宙的中心。”
在前往天文台的途中,游客很快就会离开郁郁葱葱的热带地区,进入一个美国宇航局的火星探测器可能会认出的严酷环境。氧气变得稀薄,温度降至冰点,天空变得深蓝色。在太平洋海平面以上4205米处,莫纳克亚山顶可以俯瞰下方世界和上方宇宙的壮丽景色。
加州大学伯克利分校的天文学家杰夫·马西说,稀薄的大气层会带来影响:尽管星星很壮观,但在莫纳克亚山的高度上实际上很难专注于它们。“短暂步行一分钟后,几乎每个人都会感到头晕,”他说。
世界上许多主要的天文台都位于莫纳克亚山顶,并且位于地球大气层40%以上的高度。其中包括由加州理工学院和加州大学运营的 W. M. 凯克双10米望远镜,以及日本的8.2米斯巴鲁望远镜。
莫纳克亚山的望远镜推动了对星系演化、恒星和行星的形成以及我们自身太阳系的研究。去年四月,那里的双子座天文台发布了一张有史以来观测到的最古老物体的照片,这是一个红移测量值为8.2的伽马射线爆发。其镜子中捕捉到的光已经传播了超过130亿年,几乎是从宇宙诞生开始。
包括智利阿塔卡玛沙漠的塞罗·阿尔马佐内斯山、塞罗·托拉尔山和塞罗·托隆查尔山,以及墨西哥下加利福尼亚的圣佩德罗·马蒂尔在内的多个地点都被考虑作为TMT的选址。TMT是加州理工学院、加州大学和加拿大大学天文学研究协会的一个项目。该望远镜项目预计耗资约7.54亿美元(以2006年美元计算),预计将于2018年投入使用。
偏远的阿塔卡玛沙漠是欧洲南方天文台的所在地。拥有七个8.4米镜片的巨型麦哲伦望远镜将在阿塔卡玛沙漠的拉斯坎帕纳斯天文台建造,并于2018年首次投入使用。
TMT的选址评估于2001年开始,由一个科学家团队前往地球上一些最偏远的地方进行考察。研究人员在每个地点安装了气象站和其他一系列仪器,以测量大气透明度、湍流、灰尘和其他因素。他们还仔细研究了卫星图像。
到去年,两个最终入围者已经出现,分别位于两个半球:莫纳克亚山和塞罗·阿尔马佐内斯山。
最终,莫纳克亚山,实际上是一座从海底升起9750米的休眠火山的山顶(世界最高的岛屿山脉),因多种原因击败了塞罗·阿尔马佐内斯山。其中:莫纳克亚山,海拔4205米,高于海拔3064米的塞罗·阿尔马佐内斯山。莫纳克亚山上望远镜上方的水蒸气较少,因此在红外线等较长波长下的观测质量更好。莫纳克亚山的平均温度较低,这意味着在2微米及更长波长下的观测的背景热“噪声”较小。莫纳克亚山顶的温度很少偏离摄氏0度,从白天到夜晚以及全年都是如此。这使得保持望远镜及其镜面温度均匀更容易且成本更低,因为可以最大限度地减少光学器件的膨胀和收缩。
地球上很少有地方能与莫纳克亚山和阿塔卡玛沙漠等地相媲美,适合进行天文观测。靠近海洋可以使它们上空有稳定的气流,从而最大限度地减少湍流。它们的高度降低了水蒸气,最大限度地增加了到达望远镜镜面的光量。大气湍流和水蒸气都是每位天文学家的敌人。
结论是,当采用自适应光学技术来校正大气模糊时,莫纳克亚山地点的观测质量会略好于塞罗·阿尔马佐内斯山。(TMT的设计将严重依赖自适应光学系统,该系统采用计算机控制的可变形镜,可以消除大部分湍流。)
在所有候选地点都评估了光污染程度,但在今天的莫纳克亚山,否则会破坏山顶原始天空的人造灯光并不是问题。TMT能够指向的天空最低点是距离天顶65度——在现有光污染的范围之上,领导选址评估的TMT研究员马蒂亚斯·舍克说。尽管如此,人造灯光入侵莫纳克亚山上空的可能性仍然让天文学家感到担忧,舍克说。
“重要的是要防止情况恶化,不仅对于TMT,对于其他天文台也是如此,”他说。
莫纳克亚山更靠北的位置并没有使其优于塞罗·阿尔马佐内斯山。在南北半球都设置下一代大型地面望远镜是有优势的,例如为了研究银河系的不同部分。但是,许多要进行的观测将是在宇宙距离上进行的,远远超出了我们银河系的范围。天文学家说,对于这些研究,望远镜位于何处并不那么重要。
在莫纳克亚山工作可以激发天文学家对山上天空的诗意。“莫纳克亚山使我们能够回溯到宇宙中星系和恒星首次形成的时候,”马西说。“实际上,莫纳克亚山为人类提供了我们根源的一瞥,在热带稀树草原之前,在太阳之前,在寒冷、黑暗的宇宙中任何恒星发光之前。”