陈昱光：12米光学望远镜争议，应先看科学目标再看技术

中国天文学界正积极筹备建设一架口径12米的通用光学-红外天文望远镜 (LOT)，近期围绕着12米望远镜的设计，国内天文界展开了激烈的讨论，也有很多科学家表达了自己的意见。特别是中国科学院院士陈建生一份4000多字的长信引爆了中国天文圈。

据《知识分子》报道，中国天文学界对于如何建造“12米望远镜”一事，分歧早已存在。陈建生和崔向群只不过是各自阵营的代表人物。他们的背后都有强力的支持者。

下文是一位青年天文工作者就12米光学红外望远镜设计方案谈的看法，观察者网获作者授权转载

首先，不谈科学目标就谈设计绝对是耍流氓，所以我们先看一下12米望远镜（以下简称 LOT）设计中，从国家层面、从科学层面都要实现什么样的目标。从国家层面，LOT 希望能够在“十三五”完成立项、2018年底开工。这里要交代一个背景，就是国际上的一批下一代30米级望远镜已经陆续开工建设，其中包括中国参与10%的三十米望远镜（TMT）。而目前世界上已存在的10米级望远镜（如下图）多达13台，其中最大的是加纳利大型望远镜（GTC），口径10.4米。国家希望建成12米望远镜，打出一个时间差，在30米级望远镜完工之前成为世界最大的光学／近红外望远镜。所以整个项目的时间确实非常紧。

从科学层面上来讲。无论是在陈院士的信，还是在目前公开的多个文档中，都多次提到，LOT 应当以通用型望远镜为主（这是关键点之一）。原因是目前“十三五”规划项目中，已经有多个巡天项目。且世界范围内也有多个正在进行或正在建设的巡天项目。这些项目数据完全公开。举例来说，还有一个月左右就要初光的 Zwicky Transient Factory（ZTF）每晚会触发几十万个警报。在未来十年、二十年里，对重要的天体进行确认和后续观测，要比发现重要得多。我国地处东半球，而世界上大多数望远镜都位于西半球（如下图）。在同一地理经度上，完全无人可以与我们竞争。这使得我们可以在别人都是白天的时候进行观测。这对于瞬变源的后续观测至关重要。此外，**目前国内最大的通用型望远镜为云南天文台的口径2.4米望远镜，在口径上落后国际水平上百年。**建一台通用型望远镜对于弥补缺口意义极其重要。因此，LOT 和现在国际上已有的10米级望远镜科学目标差别不大，仅进行小范围的提升。

已详细指明的科学目标包括（不分先后）：1）早期宇宙中的恒星和星系、宇宙初光等；2）包括类星体、伽马射线暴在内的高能天体；3）引力波源对应体和瞬变源；4）系外行星。1需要望远镜能够观测到足够暗弱的天体，2的情况比较复杂，既需要观测暗弱天体，也需要和3一样具有快速响应的能力，4需要测量精度足够高、仪器稳定性好。科学目标确定之后我们再来看一下技术：首先来看一下3镜和4镜的光路图比较。

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）。

再科普一下几个焦点：

主焦点是由主镜直接反射形成的焦点。只跟 M1 有关系，跟后续光路关系不大。大型巡天项目很喜欢这个焦点（如日本的昴星团望远镜的 HSC，见下图），因为焦距短、视场巨大（可以到度的量级）。但是，一要移除 M2；二由于主焦畸变严重，要设计一系列透镜对主焦进行改造。

卡焦在传统的3镜设计中是在望远镜后端。这个部分是要随着望远镜转动而跟着转的，而且不方便拆换，所以一般放小型的永久性仪器。大双筒望远镜在这儿放的是 MODS（如下图）。

耐焦在望远镜的侧面，而且通常设计在和望远镜重心对齐的地方，也就是支撑望远镜，并控制望远镜俯仰的轴那里。这样可以在耐焦的位置建一个平台，安放大型仪器，而大型仪器不需要跟随望远镜俯仰调整位置，只要跟着望远镜底部调整方位的平台一起转就行（如下图所示）。这里不仅可以放一个仪器，左右两侧至少可以放两个，每侧平台添加一些镜面的话还可以额外分层。

那么为什么要设计成4镜呢？

实际上站得住脚的原因只有一个：多加一面镜子多一层改正。在耐焦平台上，成像质量会更好。像质主要体现在两个方面。1）视场大，在15角分的大小（约为一个月面半径，耐焦由于经过镜面很多，焦距被拉的很长，所以视场都在角分量级）上，4镜的设计可以达到0.1角秒的成像质量，而3镜只能达到0.25角秒左右。2）场曲小，减小后端仪器的制造难度。

乍一看这都是很大的提升，但仔细一想并没有那么简单。首先，我们距离理论的成像极限还很远。地基望远镜受到大气层的影响。大气层中的湍流会严重影响成像质量，也是我们为什么看见星星眨眼睛的原因。为此，天文学家发明了自适应光学技术，通过快速改变望远镜镜面的形状，抵消湍流带来的影响。但是自适应光学是有局限性的。

由上图可以看到，观测不同角度的天体，光线所经过的大气是不完全一样的，这就限制了自适应光学不能做到很大的视场。想要做大视场，就要多加改正镜。目前最先进的大视场自适应光学可以做到4角分，距离15角分还有很大距离。

场曲小对后端仪器设计带来的改进也很有限。对仪器设计没概念的同学可以看下图：

这是位于凯克望远镜耐焦上的一个多目标红外光谱仪。在光线最终到达相机之前，要经过多层透镜的调整和准直。这也是4镜设计的优势。它可以通过添加一面镜子给仪器设计带来方便。然而是否值得存疑。因为即使场曲好也没有好到可以不添加准直镜的程度。增加一个镜面所带来的光损失能否在后端仪器补回来，在仪器设计好之前很难下定论。

我们现在可以根据科学目标来看一看4镜的优劣了：

1）早期宇宙：早期宇宙天体非常暗弱，对于望远镜+仪器的通光要求很高。由于主动光学系统会带来严重的额外光损失，做相关观测的开主动光学得不偿失。因此像质一般只能达到0.5-1角秒，0.1角秒的像质提升并没有明显效果。而额外加一个镜面、以及M4 开孔都会带来额外光损失。

2）高能天体 + 3）瞬变源：需要望远镜的快速反应能力。将光路复杂化恐怕只会添加更多技术难点。

4）系外行星：系外行星需要观测精度。直接成像法关注的是一颗恒星周围1角秒左右的视场，15角分的视场并没有意义。而且为了进行如下图所示的观测需要扣除中心恒星，M4 开口会对星点成像的形状造成影响，给扣除带来困难。视向速度法则需要后端仪器具有很好的稳定性，与前端关系不大，甚至与口径关系也很小。目前对于恒星速度测量的极限在1米／秒左右。在建的最先进仪器正在向0.1米／秒努力。原因在于，实现0.1米／秒的测量精度，要将仪器本身的变化（如热胀冷缩）控制在毫米甚至纳米级。这对材料的要求很高。

（用直接成像法观测系外行星）

因此对于已有的科学目标，很难说4镜有什么优势。我唯一能想到的4镜优势在于对银河系内星团，和临近明亮星系的观测。这些天体直径大，又需要高分辨率。然而奇怪的是，这些内容即使在4镜的材料中也没有明显涉及。

除了以上内容外，以下列出我还观察到的一些争议：

1）关于要不要搞大视场巡天的争议：首先先要强调，目前已公开的材料都没有强调大视场巡天，而是要首先保证望远镜的通用性。其次，大视场巡天一般将仪器放在主焦点。一旦使用主焦点就需要把 M2 移除，这跟用3镜还是用4镜几乎没有任何关系。

2）多加一个镜子带来的光损失问题：4镜方案声称可以使用镜面镀银技术，取代现有的镀铝技术，提高每一级镜面的反射率。因此，使用镀银后的4镜并不会比使用镀铝的3镜差。然而镀银镜面意味着要牺牲近紫外波段的观测。此外，银膜不如铝膜耐久，需要在表面覆盖保护层。覆盖后反射率还能提高多少存疑。而且，如果镀银技术成熟的话，在3镜上镀银岂不是更好吗？

3）3镜和4镜的争议是科学主导还是技术主导的争议：我不认为在天文学界，科学主导和技术主导如此泾渭分明。而且目前的争议和通常情况下整个反了过来……国际常见的现象是：科学界提出大胆的想法，而技术界研究相关想法后则会从现实考虑，更加保守。

4）台址问题：这一问题与望远镜本身结构关系不大。争议主要在暂时选定的西藏阿里是否是最好的台址。遗憾的是，我国西藏选址的数据积累的过少。即使是现在已有的数据也不能支持阿里能够达到类似于美国 Mauna Kea 天文台的世界级水平。

综上所述，个人认为，4镜相较于3镜并没有明显优势，甚至某些方面劣势明显。即使4镜是一个好的设计，在新技术面前是否应该先建一个小规模的原型机？举例来说，已故被誉为“凯克望远镜之父”的 Jerry Nelson 在首先设计出拼接镜面（如下图）的时候遭遇了大量质疑。人们认为以当时技术过于冒险。于是 Nelson 建造了一个规模较小的原型望远镜。原型机后来取得了成功，并平息了争论。

（凯克望远镜的拼接镜面）

考虑到 1）我国是从2.4米直接跳到12米，已经具有风险，再在技术上增加风险不值得；2）既然时间紧，没有时间造原型机用事实说话的话，就应该选择经过世界上大量事实验证的3镜结构。因此我是完全支持3镜设计的。