陳昱光：12米光學望遠鏡爭議，應先看科學目標再看技術

中國天文學界正積極籌備建設一架口徑12米的通用光學-紅外天文望遠鏡 (LOT)，近期圍繞着12米望遠鏡的設計，國內天文界展開了激烈的討論，也有很多科學家表達了自己的意見。特別是中國科學院院士陳建生一份4000多字的長信引爆了中國天文圈。

據《知識分子》報道，中國天文學界對於如何建造“12米望遠鏡”一事，分歧早已存在。陳建生和崔向羣只不過是各自陣營的代表人物。他們的背後都有強力的支持者。

下文是一位青年天文工作者就12米光學紅外望遠鏡設計方案談的看法，觀察者網獲作者授權轉載

首先，不談科學目標就談設計絕對是耍流氓，所以我們先看一下12米望遠鏡（以下簡稱 LOT）設計中，從國家層面、從科學層面都要實現什麼樣的目標。從國家層面，LOT 希望能夠在“十三五”完成立項、2018年底開工。這裏要交代一個背景，就是國際上的一批下一代30米級望遠鏡已經陸續開工建設，其中包括中國參與10%的三十米望遠鏡（TMT）。而目前世界上已存在的10米級望遠鏡（如下圖）多達13台，其中最大的是加納利大型望遠鏡（GTC），口徑10.4米。國家希望建成12米望遠鏡，打出一個時間差，在30米級望遠鏡完工之前成為世界最大的光學／近紅外望遠鏡。所以整個項目的時間確實非常緊。

從科學層面上來講。無論是在陳院士的信，還是在目前公開的多個文檔中，都多次提到，LOT 應當以通用型望遠鏡為主（這是關鍵點之一）。原因是目前“十三五”規劃項目中，已經有多個巡天項目。且世界範圍內也有多個正在進行或正在建設的巡天項目。這些項目數據完全公開。舉例來説，還有一個月左右就要初光的 Zwicky Transient Factory（ZTF）每晚會觸發幾十萬個警報。在未來十年、二十年裏，對重要的天體進行確認和後續觀測，要比發現重要得多。我國地處東半球，而世界上大多數望遠鏡都位於西半球（如下圖）。在同一地理經度上，完全無人可以與我們競爭。這使得我們可以在別人都是白天的時候進行觀測。這對於瞬變源的後續觀測至關重要。此外，**目前國內最大的通用型望遠鏡為雲南天文台的口徑2.4米望遠鏡，在口徑上落後國際水平上百年。**建一台通用型望遠鏡對於彌補缺口意義極其重要。因此，LOT 和現在國際上已有的10米級望遠鏡科學目標差別不大，僅進行小範圍的提升。

已詳細指明的科學目標包括（不分先後）：1）早期宇宙中的恆星和星系、宇宙初光等；2）包括類星體、伽馬射線暴在內的高能天體；3）引力波源對應體和瞬變源；4）系外行星。1需要望遠鏡能夠觀測到足夠闇弱的天體，2的情況比較複雜，既需要觀測闇弱天體，也需要和3一樣具有快速響應的能力，4需要測量精度足夠高、儀器穩定性好。科學目標確定之後我們再來看一下技術：首先來看一下3鏡和4鏡的光路圖比較。

4鏡設計和3鏡設計的不同在於在主鏡（M1）後面：4鏡在 M1 之後多加一個小鏡子（M3），這導致 M2 需要做大、M4 需要開洞（另一個關鍵點）。

再科普一下幾個焦點：

主焦點是由主鏡直接反射形成的焦點。只跟 M1 有關係，跟後續光路關係不大。大型巡天項目很喜歡這個焦點（如日本的昴星團望遠鏡的 HSC，見下圖），因為焦距短、視場巨大（可以到度的量級）。但是，一要移除 M2；二由於主焦畸變嚴重，要設計一系列透鏡對主焦進行改造。

卡焦在傳統的3鏡設計中是在望遠鏡後端。這個部分是要隨着望遠鏡轉動而跟着轉的，而且不方便拆換，所以一般放小型的永久性儀器。大雙筒望遠鏡在這兒放的是 MODS（如下圖）。

耐焦在望遠鏡的側面，而且通常設計在和望遠鏡重心對齊的地方，也就是支撐望遠鏡，並控制望遠鏡俯仰的軸那裏。這樣可以在耐焦的位置建一個平台，安放大型儀器，而大型儀器不需要跟隨望遠鏡俯仰調整位置，只要跟着望遠鏡底部調整方位的平台一起轉就行（如下圖所示）。這裏不僅可以放一個儀器，左右兩側至少可以放兩個，每側平台添加一些鏡面的話還可以額外分層。

那麼為什麼要設計成4鏡呢？

實際上站得住腳的原因只有一個：多加一面鏡子多一層改正。在耐焦平台上，成像質量會更好。像質主要體現在兩個方面。1）視場大，在15角分的大小（約為一個月面半徑，耐焦由於經過鏡面很多，焦距被拉的很長，所以視場都在角分量級）上，4鏡的設計可以達到0.1角秒的成像質量，而3鏡只能達到0.25角秒左右。2）場曲小，減小後端儀器的製造難度。

乍一看這都是很大的提升，但仔細一想並沒有那麼簡單。首先，我們距離理論的成像極限還很遠。地基望遠鏡受到大氣層的影響。大氣層中的湍流會嚴重影響成像質量，也是我們為什麼看見星星眨眼睛的原因。為此，天文學家發明了自適應光學技術，通過快速改變望遠鏡鏡面的形狀，抵消湍流帶來的影響。但是自適應光學是有侷限性的。

由上圖可以看到，觀測不同角度的天體，光線所經過的大氣是不完全一樣的，這就限制了自適應光學不能做到很大的視場。想要做大視場，就要多加改正鏡。目前最先進的大視場自適應光學可以做到4角分，距離15角分還有很大距離。

場曲小對後端儀器設計帶來的改進也很有限。對儀器設計沒概念的同學可以看下圖：

這是位於凱克望遠鏡耐焦上的一個多目標紅外光譜儀。在光線最終到達相機之前，要經過多層透鏡的調整和準直。這也是4鏡設計的優勢。它可以通過添加一面鏡子給儀器設計帶來方便。然而是否值得存疑。因為即使場曲好也沒有好到可以不添加準直鏡的程度。增加一個鏡面所帶來的光損失能否在後端儀器補回來，在儀器設計好之前很難下定論。

我們現在可以根據科學目標來看一看4鏡的優劣了：

1）早期宇宙：早期宇宙天體非常闇弱，對於望遠鏡+儀器的通光要求很高。由於主動光學系統會帶來嚴重的額外光損失，做相關觀測的開主動光學得不償失。因此像質一般只能達到0.5-1角秒，0.1角秒的像質提升並沒有明顯效果。而額外加一個鏡面、以及M4 開孔都會帶來額外光損失。

2）高能天體 + 3）瞬變源：需要望遠鏡的快速反應能力。將光路複雜化恐怕只會添加更多技術難點。

4）系外行星：系外行星需要觀測精度。直接成像法關注的是一顆恆星周圍1角秒左右的視場，15角分的視場並沒有意義。而且為了進行如下圖所示的觀測需要扣除中心恆星，M4 開口會對星點成像的形狀造成影響，給扣除帶來困難。視向速度法則需要後端儀器具有很好的穩定性，與前端關係不大，甚至與口徑關係也很小。目前對於恆星速度測量的極限在1米／秒左右。在建的最先進儀器正在向0.1米／秒努力。原因在於，實現0.1米／秒的測量精度，要將儀器本身的變化（如熱脹冷縮）控制在毫米甚至納米級。這對材料的要求很高。

（用直接成像法觀測系外行星）

因此對於已有的科學目標，很難説4鏡有什麼優勢。我唯一能想到的4鏡優勢在於對銀河系內星團，和臨近明亮星系的觀測。這些天體直徑大，又需要高分辨率。然而奇怪的是，這些內容即使在4鏡的材料中也沒有明顯涉及。

除了以上內容外，以下列出我還觀察到的一些爭議：

1）關於要不要搞大視場巡天的爭議：首先先要強調，目前已公開的材料都沒有強調大視場巡天，而是要首先保證望遠鏡的通用性。其次，大視場巡天一般將儀器放在主焦點。一旦使用主焦點就需要把 M2 移除，這跟用3鏡還是用4鏡幾乎沒有任何關係。

2）多加一個鏡子帶來的光損失問題：4鏡方案聲稱可以使用鏡面鍍銀技術，取代現有的鍍鋁技術，提高每一級鏡面的反射率。因此，使用鍍銀後的4鏡並不會比使用鍍鋁的3鏡差。然而鍍銀鏡面意味着要犧牲近紫外波段的觀測。此外，銀膜不如鋁膜耐久，需要在表面覆蓋保護層。覆蓋後反射率還能提高多少存疑。而且，如果鍍銀技術成熟的話，在3鏡上鍍銀豈不是更好嗎？

3）3鏡和4鏡的爭議是科學主導還是技術主導的爭議：我不認為在天文學界，科學主導和技術主導如此涇渭分明。而且目前的爭議和通常情況下整個反了過來……國際常見的現象是：科學界提出大膽的想法，而技術界研究相關想法後則會從現實考慮，更加保守。

4）台址問題：這一問題與望遠鏡本身結構關係不大。爭議主要在暫時選定的西藏阿里是否是最好的台址。遺憾的是，我國西藏選址的數據積累的過少。即使是現在已有的數據也不能支持阿里能夠達到類似於美國 Mauna Kea 天文台的世界級水平。

綜上所述，個人認為，4鏡相較於3鏡並沒有明顯優勢，甚至某些方面劣勢明顯。即使4鏡是一個好的設計，在新技術面前是否應該先建一個小規模的原型機？舉例來説，已故被譽為“凱克望遠鏡之父”的 Jerry Nelson 在首先設計出拼接鏡面（如下圖）的時候遭遇了大量質疑。人們認為以當時技術過於冒險。於是 Nelson 建造了一個規模較小的原型望遠鏡。原型機後來取得了成功，並平息了爭論。

（凱克望遠鏡的拼接鏡面）

考慮到 1）我國是從2.4米直接跳到12米，已經具有風險，再在技術上增加風險不值得；2）既然時間緊，沒有時間造原型機用事實説話的話，就應該選擇經過世界上大量事實驗證的3鏡結構。因此我是完全支持3鏡設計的。