中国加入TMT国际合作计划科学目标.docx

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1、中国加入TMT国际合作计划科学目标(草稿 (2010年1月19日)摘要30米望望远镜（TMTT）计划划是由美国国加州理理工学院院（Caalteech）、加州州大学系系统（UUC）和和加拿大大大学天天文研究究联盟联联合发起起的国际际合作项项目，该该项目计计划于夏夏威夷莫莫纳克亚亚峰建造造一个世世界领先先的300米巨型型光学-红外观观测设备备。目前，日本也也已经参参与进来来，步入入成为TTMT合合作伙伴伴的第二二阶段。加州理理工学院院和加州州大学有有着丰富富的大型型望远镜镜建造经经验，曾曾成功地地在预定定时间表表内和资资金预算算内建造造了十米米凯克（Kecck）望望远镜。在建造造凯克过过程中所所积

2、累的的丰富经经验和技技术，将将在很大大程度上上为近110亿美美元的TTMT计计划节约约造价，降低风风险。TTMT的的大孔径径（高集集光能力力）、先先进的终终端仪器器装备和和自适应应光学系系统、以以及卓越越的台址址将掀起起天文学学众多领领域的革革命。使使用TMMT，我我们将可可以直接接观测系系外行星星的大气气层，洞洞察暗物物质暗能能量的本本质，将将星系、恒星、黑洞和和行星的的诞生与与演化过过程更清清楚地揭揭示出来来。在过去十十年里中中国天文文学家取取得了相相当可观观的进步步。即将将投入使使用的LLAMOOST望望远镜，以其科科学潜力力吸引了了国际国国内天文文学家的的广泛关关注。正正在建造造和正在

3、在筹划中中的巨型型地基和和空间装装置为中中国天文文学家做做出具有有世界竞竞争力的的科学成成果提供供了空前前的机会会。数个个优秀的的研究中中心已经经建成为为人才交交流和科科学创新新的国际际化平台台。这些些进步为为中国下下一代天天文学家家在可预预见的将将来进入入世界科科学舞台台的前沿沿铺平了了道路。中国天体体物理发发展战略略专家委委员会在在经过仔仔细的论论证后，推荐加加入TMMT项目目作为中中国天文文未来发发展的最最优选择择。加入入TMTT将把中中国带入入未来数数十年天天文发展展的前沿沿，通过过国际合合作，将将有益于于中国在在科学、管理、技术、工业等等各方面面获得跨跨越性进进步。TTMT还还将配合

4、合中国其其它大天天文装置置（如LLAMOOST、FASST等），从而而充分发发挥它们们的科学学潜力。本文件件在广泛泛征集中中国天体体物理界界专家、学者意意见基础础之上，列出了了中国加加入TMMT的主主要科学学目标和和具有代代表性的的观测计计划，确确定了未未来十年年中我们们需要加加强的科科学领域域，为220188年TMMT进入入科学观观测阶段段作好准准备。1 背景介绍绍天文学是是一门古古老的学学科，自自从人类类诞生以以来，好好奇心就就推动着着天文学学的发展展：宇宙宙是如何何诞生的的？地球球人类是是否宇宙宙中唯一一的智慧慧生物？现在，随着下下一代巨巨型望远远镜（比比如TMMT）的的建造，天文学学家

5、终于于有可能能来回答答这些问问题。加加入TMMT计划划将把中中国带入入未来数数十年天天文发展展的前沿沿，通过过国际合合作，将将有益于于中国在在科学、管理、技术、工业等等各方面面获得跨跨越性进进步。TTMT的的合作伙伙伴资格格将在未未来两年年内确定定，这将将是一个个中国不不容错过过的机会会。中国天文文具有丰丰富而值值得骄傲傲的历史史。中华华文明保保存了世世界上最最完好的的彗星、太阳黑黑子以及及超新星星爆发记记录。比比如，宋宋朝的文文献（公公元10054年年）提供供了蟹状状星云超超新星爆爆发最好好最准确确的时间间。4000年前前伽利略略发明了了第一台台现代望望远镜，开启了了天文观观测的新新纪元；而

6、正是是在这过过去的几几百年间间，中国国天文逐逐渐落后后于西方方世界。从哥白尼尼的“日心说说”开始，天文学学总是处处在科学学革命的的最前沿沿。随着着覆盖了了从射电电到伽马马射线的的所有波波段的大大型望远远镜的发发展，现现代天文文学家向向我们揭揭示了一一个丰富富的宇宙宙，揭示示了宇宙宙从最小小到最大大各个尺尺度上的的统一性性。在这这点上，天文学学家为我我们理解解自然的的基本原原理做出出了很大大贡献。近年来来的天文文巡天表表明我们们的宇宙宙大部分分被暗物物质与暗暗能量所所主宰。这两者者的本质质成为了了天文与与物理研研究的一一个最基基本的问问题。目目前已发发现的4400多多个系外外行星系系统预示示着我

7、们们的太阳阳系也许许仅仅是是个例外外而非行行星形成成的标准准模式。得助于于TMTT这一利利器，我我们将有有可能探探求我们们地球人人类是否为宇宙中中唯一的的智慧生生物。在过去十十年里中中国天文文学家取取得了相相当可观观的进步步。即将将投入使使用的LLAMOOST望望远镜，以其科科学潜力力吸引了了国际国国内天文文学家的的广泛关关注。正正在建造造和正在在筹划中中的巨型型地基和和空间装装置为中中国天文文学家做做出具有有世界竞竞争力的的科学成成果提供供了空前前的机会会。数个个优秀的的研究中中心已经经建成为为人才交交流和科科学创新新的国际际化平台台。这些些进步为为中国下下一代天天文学家家在可预预见的将将来

8、进入入世界科科学舞台台的前沿沿铺平了了道路。20000年公布布的美国国天文和和天体物物理十年年规划（Thee USS Asstroonommy aand Asttropphyssicss Deecaddal Surrveyy）将330米巨巨型拼接接镜面望望远镜列列为最优优先发展展的项目目，计划划通过公公共与私私人分别别筹款550%的的方式来来共同运运作完成成项目。三十米米望远镜镜的集光光能力是是目前88-100米级望望远镜的的十倍，将在天天文研究究领域取取得史无无前例的的进展。十年规规划公布布后，三三个主流流的三十十米级望望远镜国国际合作作项目受受到广泛泛关注：即美国国的巨型型麦哲伦伦望远镜镜

9、（GMMT）、三十米米望远镜镜（TMMT），以及欧欧洲422米极大大望远镜镜（E-ELTT）项目目。目前在三三个项目目中，TTMT在在技术设设计、资资金落实实等各方方面都更更为成熟熟。TMMT的合合作单位位包括美美国加州州理工学学院（CCalttechh）、加加州大学学系统（UC）和加拿拿大大学学天文研研究联盟盟（ACCURAA）；日日本已基基本确定定参加，步入成成为TMMT合作作伙伴的的第二阶阶段；印印度和巴巴西正在在考虑加加入TMMT。加加州理工工学院和加加州大学学有着丰丰富的大大型望远远镜建造造经验，曾成功功地在预预定时间间表内和和资金预预算内建建造了十十米凯克克（Keeck）望远镜镜。

10、在建建造凯克克过程中中所积累累的丰富富经验和和技术，将在很很大程度度上为近近10亿亿美元的的TMTT计划节节约造价价，降低低风险。TMTT目前已已经募集集到了所所需十亿亿美元建建造及建建设费用用中的33亿（GGorddon andd Beettyy Moooree 基金金会提供供了两亿亿美元，加州大大学和加加州理工工学院分分别提供供五千万万美元匹匹配资金金）。此此前TMMT还得得到七千千七百万万美元的的经费支支持以进进行可行行性研究究以及望望远镜设设计方案案。30米级级望远镜镜必将成成为未来来几十年年光学-红外波波段的主主流观测测设备。目前中中国最大大的通用用望远镜镜孔径只只有2.4米，其集光

11、光能力和和终端仪仪器水平平远远落落后于国国际8-10米米级望远远镜。若若在未来来十年内内不迎头头赶上，获得330米级级望远镜镜的使用用机会，中国的的天文观观测水平平将被甩甩得更远远。TMMT管理理团队的的最近一一次访华华（20009年年12月月）过程程中，代代表团成成员高度度评价了了中国所所具备的的技术和和工业能能力，认认为我们们可以在在TMTT的许多多高、精精、尖仪仪器的设设计建造造中承担担主导角角色。加加入TMMT，可可以使中中国在天天文研究究领域获获得有竞竞争力的的科学产产出、成成为国际际天文界界重要的的研究力力量。中中国不应应也绝不不能再错错过这个个发展机机遇。2 加入TMMT的意意义

12、随着中国国经济的的迅猛发发展，我我国在世世界舞台台上扮演演着越来来越重要要的角色色。作为为一个民民族，我我们为过过去的技技术和文文化成就就而自豪豪。但为为了保持持和进一一步增强强我们的的国际显显示度和和话语权权，我们们仍然需需要加强强对科学学技术的的投资力力度，尤尤其是对对基础科科学的投投资力度度，它是是催生现现在以及及未来的的应用技技术的沃沃土。如前所述述，随着着各种大大科学装装置的迅迅速发展展（如LLAMOOST），中国国天文界界在过去去的十年年取得了了很大的的进步。科研环环境在硬硬件上已已经接近近了国际际先进水水平。中中国天文文学家在在理论和和观测两两方面的的研究都都覆盖了了天文学学的多

13、个个领域；中国天天文学界界还拥有有一批优优秀的研研究生以以及海外外华裔天天文学家家作为人人才储备备。然而而，迄今今为止中中国却没没有一台台世界水水平的通通用光学学-红外外望远镜镜：我们们最大的的光学望望远镜也也仅仅是是云南丽丽江的22.4米米，这与与国际上上已有的的多台88-100米级望望远镜形形成鲜明明对比。即使是是如南非非这样的的第三世世界国家家也已经经建造了了他们自自己的110米望望远镜。大型现现代望远远镜的缺缺乏也严严重制约约了我们们其他大大型天文文装置（如LAAMOSST和FFASTT）的科科学潜力力。为此，中中国天体体物理发发展战略略专家委委员会将将加入TTMT项项目列为为中国天天

14、文未来来发展的的最优选选择。通通过建造造4米望望远镜LLAMOOST，中国已已经具有有了开展展大科学学工程项项目的宝宝贵经验验。然而而，要在在下一步步突破到到30米米口径，中国仍仍有极大大的困难难而不能能独立运运作。首首先，为为充分发发掘其能能力，三三十米望望远镜要要求最好好的台址址（最好好的视宁宁度、最最暗的天天空背景景光等），而中中国尚未未发现这这样的世世界一流流台址。其次，很多330米级级望远镜镜的科学学目标集集中在红红外领域域（比如如高红移移宇宙的的研究和和系外行行星系统统的探测测），而而目前我我国不具具备红外外CCDD的生产产技术。再次，TMTT是一个个集科学学、技术术、工程程、管理

15、理等多项项专业技技术于一一身的综综合项目目，目前前在中国国这种运运作模式式还未发发展成熟熟。最后后，建造造TMTT的巨大大预算是是任何国国家都难难以独自自承担的的，目前前所有的的30米米望远镜镜项目计计划（TTMT、GMTT和E-ELTT）都是是大型的的国际合合作。参参与TMMT计划划，将非非常有利利于我国国科学、技术以以及工业业的跨越越式发展展。 它将把中中国推进进到极大大望远镜镜时代的的天文前前沿，并并将成为为中国与与国际天天文学家家合作与与竞争的的平台。 它将与中中国的其其它大科科学装置置如LAAMOSST和FFASTT相配合合，从而而充分发发挥其科科学潜力力。 它将使中中国学到到先进的

16、的光学、机械、电子以以及自动动控制等等多个领领域中的的关键技技术。 参与如此此大尺度度、高科科技的TTMT建建设，可可以提升升中国制制造的国国际显示示度。 具有惊人人能力的的TMTT将如同同一个巨巨大的磁磁石，吸吸引高水水平的海海外华裔裔天文学学家同国国内天文文学家合合作，甚甚至到中中国来工工作，进进一步扩扩大中国国天文的的人才库库，为未未来发展展打下坚坚实基础础。 TMT还还将为中中国天文文学家同同国际天天文学家家开展合合作，使使用其它它波段的的巨型天天文探测测装置，比如射射电波段段的SKKA，亚亚毫米波波段的AALMAA，空间间光学-红外望望远镜JJWSTT等提供供重要平平台。这这种多波波

17、段联合合观测方方法在天天体物理理学领域域已经变变得越来来越重要要了。需要强调调的是加加入TMMT中国国不仅能能够通过过负责建建造特定定仪器用用以货代代款方式式承担投投资份额额，还能能派遣代代表在几几乎所有有领域学学习各种种先进技技术。最终的TTMT设设计/建建造准备备评估将将在20010年年六月进进行。TTMT的的初次全全孔径实实验观测测预计将将在20017年年10月月，而初初次科学学观测将在在20118年66月。TTMT的的全部合合作伙伴伴将于未未来的两两年内确确定。中中国加入入得越晚晚，在我我们所能能对TMMT进行贡献的技技术和科学学方面的的选择性性和发言言权就越越小。至至关重要要的是使使

18、我们的的科学规规划研究究的能力力与我们们的技术术水平相相适应。这只能能通过建建立一个个强大的的具有国国际竞争争力的科科学队伍伍来实现现。而过过去十年年中国天天文在世世界舞台台上的快快速进步步给了我我们这样样的信心心：在合合适的规规划和中中国天文文学界的的共同努努力下，这样的的一支队队伍一定定能够在在下一个个十年内内实现。3TMMT天文文台和仪仪器简介介3.1 TMTT 天文文台TMT天天文台（图1）的核心心将是一一个大视视场allt-aaz RRitccheyy-Chhrettienn望远镜镜，包括括一个4492个个子镜拼拼接成的的 300米直径径主镜，一个个全活动动的第二二反射镜镜和一个个万

19、向转转镜作为第三镜。镜面收收集的光光束将供供给安装装在环绕绕望远镜镜的Naasmyyth平平台上的的一系列列自适应应光学系系统（AAO）和和科学仪仪器。平平台需要要建造得得足够大大以容纳纳和支撑撑至少八八个AOO/科学学仪器系系统，这这些仪器器覆盖了了很宽的的空间和和光谱分分辨范围围。图1 望望远镜设设计（左左）和整整个天文文圆堡（右），来自TTMT官官方网站站（tmmt.oorg）TMT的的三十米米孔径使使得它的的灵敏度度在近红红外波段段达到了了一个科科学的最最佳平衡衡。根据据建造凯凯克望远远镜时的的成功经经验，TTMT项项目组将将望远镜镜造价与与直径的的比例从从一般要要求的DD2.77减小

20、到到了 DD1.115。TMT是是第一个个设计之之初就把把自适应光学（ AOO ）作作为一个不不可分割割的组分分加以考考虑的地面天天文望远远镜 Max, C., www.ucolick.org/max/289C/Lectures/Lecture%2016/Lecture16.2008.pdf; Mountain M., van der Marel R., Summer R. et al. 2009, arXiv:0909.4503v1。AO是一一个通用用术语，其其中包括括实时的大气湍湍流测量系统和和对进入入望远镜的的光束进进行改正正以消除除大气影响响的系统统，最后达达成真正正的衍射射极限观观测

21、相当于于在地球球大气之之外进行行空间观观测。TMTT的AOO系统设设计参照照了Geeminni、凯凯克和VVLT望望远镜的的成功经经验。自自适应光光学是一一个飞速速发展的的领域，而TMMT拥有有本领域域世界领领先的设设计者（比如加加州大学学Sannta Cruuz分校校自适应应光学中中心）。对点光光源，AAO系统统将观测测时间的的增益从从D2提升到到了D4（由于于点扩散散函数覆覆盖范围围的缩小小）这意味味着与凯凯克相比比，TMMT可将将观测时时间缩短短为原来来的1/1000而不是是1/110。效效率上的的巨大进进步使得得我们能能够对近近邻和遥遥远的宇宇宙开展展一些目目前其他他任何地地面和空空间

22、望远远镜都做做不到的的前沿研研究。3.2 TMTT 科学学仪器目前的TTMT计计划中包包括8个个科学仪仪器，其其中三个个为第一一优先的的仪器（“Earrly Ligght”），其其余五个个为首个个十年计计划仪器器（“Firrst Deccadee”）。“Earrly Ligght”是在望望远镜建建成之初初就会投投入使用用的，包包括一套套激光导导星支持持的自适适应光学系系统NFIIRAOOS (Narrroww Fiieldd Innfraaredd Addpattivee Oppticcs SSysttem)，可以以在300角秒的的视场内内提供达达到衍射射极限的的分辨率率和很高高的Sttreh

23、hl比率率。它在在1微米米波段的的空间分分辨率为为7毫角角秒，几几乎是哈哈勃空间间望远镜镜的100倍。TMT的的三个第第一优先先仪器是是： WFOSS：宽领领域，多多目标光光学光谱仪，工作波波长为00.311-1.1微米米。它具具有令人人印象深深刻的多多目标能能力。使使用分离离的遮挡挡物，WWFOSS可以在在40.5平方方角分的的视场上上以3000-775000的光谱谱分辨率率同时观观测多达达15000个目目标源。 IRISS：可进进行成像像拍摄的近红外（00.8-2.55微米）积分场单元元（IFFU）分分光计。成像模模式可覆覆盖100x100角秒的的视场，达到00.0004角秒秒/像元元的采

24、样样率。IIFU对对J、HH、K三三个波段段的光谱谱分辨率率均为440000。IRRIS是是在前所所未有的的细节上上研究星星系动力力学的理理想仪器器。 IRMSS：具有有成像能能力的多多缝近红外（00.8-2.55微米）分光计计。它具具有466个可移移动的、宽度连连续可变变的低温温狭缝。在Y、J、HH、K波波段的双双像元分分辨率为为46660。在在成像模模式下，IRMMS可以以0.006角秒秒的采样样率覆盖盖整个NNFIRRAOSS的视场场。后两个仪仪器都依依赖于自自适应光光学系统统NFIITRAAOS来来得到近近红外波波段衍射射极限的的灵敏度度和空间间分辨率率。这三项仪器将能够探索从宇宙第一

25、一代恒星星到系外外行星的全全部天文文学领域域。 其余的仪仪器计划，被称为为“Firsst DDecaade”，将结合技术准备和现有的财政资源来决定定开发的的节奏。TMMT也会会保持灵灵活性，以响应科学和和技术在未来来10年年的发展来来进行部署署。 这些仪器包括括：中红红外光栅光谱仪（MIRRES）、行星星形成成成像仪（PFII）、高高分辨率率光学光光谱仪（HROOS）、大视场场红外相相机（WWIRCC）和近近红外光光栅光谱仪（NIRRES）。所有有8个仪仪器的基基本技术术参数列列于表11。注意意TMTT的整个个视场尺尺度为220角分分，其中中15角角分为非非晕影区区。表11中所列列的仪器器只使

26、用用了它的的部分视视场。仪器AO要求求.模式视场(角秒)波长(mm)分辨率科学目标标IRISSNFIRRAOSSMCAOO衍射极限限10x110（iimaggingg）0.7, 1.6 oor 44.5 (IFFU)0.8-2.552-500 immagiing40000 高红移星星系团 黑洞/类类星体/银河系系中心 解析密集集星场中中的恒星星成分 天体测量量WFOSSNONEE视宁度极极限92.44 arrcmiin2/130000.344-1.010000-50000 红移 22z5.5的星星系间介介质性质质表1: TMTT的科学学仪器与与科学目目标。最最上面的的三行（阴影区区）为第第一优

27、先先仪器，其下五五个为首首个十年年计划仪仪器。衍衍射极限限观测的的分辨率率为约77mass (l/mm). 本表表取自TTMT所所提供的的文档。4. 中中国加入入TMTT的科学学目标借助于强强大的集集光能力力以及可可使观测测质量达达到衍射射极限的的自适应应光学系系统，三十十米望远远镜（TMTT）将使使我们可以在在从太阳阳系外行行星到宇宇宙大尺尺度结构的天天文学各各个方面面探测得前所所未有的的深入。TMTT的集光光面积是当前前主流大大望远镜镜的十倍倍，其空空间分辨率率则是哈勃勃空间望远镜（HSTT）的十十二倍。TMTT能探测测的更远更清晰晰，根据据观测目标和方法法的不同同，它的的探测深度将将是当

28、代代望远镜镜的倍。TMT将将能够给给天文学学和天体体物理学学的每一个领域提供供新的观观测机会会。考虑虑到TMTT能够运行数数十年，而天文文学的进进步和新新领域的出出现常常是是很快的的，这里我们只宽泛地列出出今天能能够预想到到的使用用TMTT的几个个关键方方面。中国已已经在这这些领域域建立了了许多很很有活力力的科学学小组，加入TTMT能能使这些些小组得得到第一一手的、最先进进的观测测数据，充分地地提高他他们的研研究水平平。 需要强调调指出，作为一个通通用望远远镜，TMTT的成就就可能在在那些我我们还未曾曾开始研究究的领域的未未知上。正如哈哈勃望远远镜和Slooan数数字巡天天(SDDSS)的主要

29、要发现都不不是它们们起初预想的科科学目标标一样。 TMT将将能够探探查太阳系系外行星星系统的形成成过程和物物理性质质。目前前用不同同方法（视向速度度法、掩掩星法以以及微引引力透镜镜法）发现现的超过过4000个系外行行星系统统表明我我们的太阳阳系也许许是一个个并不合合规范的例例外。TTMT将将能够帮帮助我们们在这个领域做出出根本性性的发现现。使用用视向速度度法，TTMT可可以把系系外行星星的探测测范围扩展到到类似地球球质量，也也可以探探测到那些些比太阳阳更暗的的其它类类型恒星星的行星星系统。TMTT还能用于于研究原原行星盘盘的运动学特征征，拍摄摄和分析析行星大大气对恒星的的吸收光光谱，或者者通过

30、反射光光和它们们自身的的发光直接接对系外行行星成像像。 TMT将将可以对对暗物质质和暗能能量的性性质，以以及基本本物理常常量是否否随宇宙宙时间而而变化提提供重要要限定。暗物质质的性质质可以通通过许多多方法测测定,比比如引力力透镜效效应、矮矮星系的的动力学学特征，或者LLymaan-aalphha星云云的小尺尺度结构构探测，而暗能能量的性性质则可可以通过过Lymman-alppha星星云研究究或者高高红移超超新星的的深度巡巡天来限限定。 TMT将将可以在在整个宇宇宙时间间尺度上上对大质量黑洞洞进行调研。TMMT有能能力探测测远得多多的星系系的中心心大质量黑洞洞和那些些质量比较小的大大质量黑洞洞。

31、人类类将第一一次收集集到一个个具有统统计力学学意义的大样本来研研究黑洞洞与星系系质量、星星系动力特征征、星系系形态的关系，研研究从附附近一直直到红移0.44处（如果果和其他他技术手段结合甚至至可以探探测得更远）的黑黑洞的演演化。TTMT将将可能测量到高高轨道偏心心率恒星星的广义义相对论效应，从而而使用更更加基础础的方法法来研究究银河系中中心的大大质量黑洞洞。 TMT将将对天体物物理学的的一个突突出问题题宇宇宙的“第一缕缕光”做出出重大贡贡献。在在红移大约，宇宇宙万岁时时，它经历历了一个个电离粒子子的复合过程，从从而进入了我我们所称的的“黑暗暗时代”。“黑暗时时代”结束于第第一个光光源的产产生。

32、TMMT和詹詹姆斯韦韦伯空间望远镜（JWSST，将将于年年发射，预计计使用寿寿命年年）的协协作，将将可拍摄摄第一代代光源的的光谱，为我们研究它它们的物理理性质以及第第一代天天体对宇宙的的初次化化学增丰丰提供详详细信息息。 TMT可可怕的集集光能力力使我们们能够观测测到遥远的星系系（而不不仅仅是是类星体体），来来解析我我们视线线方向上上的宇宙宙结构。高高得多的的可探测测天体密密度使我我们了解宇宇宙三维维物质结结构分布布成为可能，不论是在大大尺度还还是在小小尺度结结构上。这项研究究还将能使使我们探测暗物质暗能量量的本质质，验证物理理常量的的恒定性性，并通通过分析结构的形形成过程来探探索宇宙宙的化学

33、学增丰历历史和回回馈机制。 TMT将将可以用用于研究究宇宙在在不同尺尺度上的的形成过过程：从从行星（如上文文所讨论论的）、恒星到到星系。它将揭揭示星系系的形成成演化如如何随周周围环境境的不同同而变化化，如何何被来自自恒星形形成和活活动星系系核的反反馈过程程所影响响。很显然TTMT能能够做出出贡献的的潜在科科学领域域是多种种多样的的。本文文参考三三个三十十米级望望远镜项项目的科科学目标标文档 Giant Magellan Telescope Science Case (July 2006); TMT Science Advisory Committee, Thirty Meter Telesco

34、pe Detailed Science Case (2007); www.eso.org/sci/facilities/eelt/science/index.html，按照中中国天文文学的重重点领域域进一步步展开，根据不不同研究究主题分分为数个个部分。每个部部分的基基本结构构如下：1. 未来200年本领领域的关关键性科科学问题题是什么么？2. 当前研究究现状介介绍3. 详细探讨讨为什么么TMTT对该领领域研究究是必不不可少的的4. 本领域中中国天文文学界的的优势与与弱点i. 中国目前前拥有的的研究小小组ii. 确定在哪哪些领域域中国研研究小组组在学生生培养和和团队建建设方面面需要加加强以提提高

35、竞争争力。5. 可能的TTMT观观测计划划i. 与其它中中国设备备的互补补：SVVOM, FAAST, DOOME-A, HXMMT?ii. 在当前阶阶段我们们可以用用8-110米级级望远镜镜做些什什么？4.1 系外行行星探测测和性质的研究究寻找地球球以外适适合人类类生存的的环境一直直是人类类的梦想想。二十十世纪末，人人类在飞马座51号号恒星周周围首次探探测到系外外主序恒恒星的行行星。目目前已经经探测到的系系外行星星已超过过4000颗，太阳阳系外行行星的探探测与研究究已经成为国际天文学学一个非非常活跃跃的领域。目前前主要探探测手段段为测量量由行星星存在引引起的恒恒星摆动动（即多多普勒视视向速度

36、度方法），该方法倾向于发现现在恒星星近邻轨轨道的行星星（周期期在几年年以内的的气态巨行星星或者是是几十天天以内的的类地行星星）。微微引力透透镜方法适适合发现现在中等等距离轨轨道（23AUU）上的的行星，而在当当前精度度下直接接成像适适合观测测在较远轨轨道上（几几十天文文单位以外外）的气气态行星。目目前以上上几种观观测方法法适合的的范围各各不相同同，还不能对同一系系统进行从从近轨到远轨的同同时探测。此外外，当前前行星系系统样本本在恒星星类型上上的不完完备性（比如当当前精度度很难探探测质量量较小的的晚型星星周围的的行星），以及及对每个个行星系系统本身身探测的的不完备备性（缺缺乏长周周期的或或者质量

37、量比较小小的行星星），为为我们研研究行星星形成理理论造成了了很大困困难。TMT独独特的视视向速度度精度和和直接成成像技术术，可以以同时得到一一个行星星系统从周期期几天到到几个世世纪轨道上上的行星星，如此此得到的的完整样样本对于行星星系统的形成成理论以以及统计计力学研研究具有有重要的的意义。结合掩星星探测可以得得到类地行星星、气态态行星、冰巨行行星的结结构,大气气成份,以此可可以进行比较行星学学的研究究,包括括银河系不不同位置置行星之之间的差别。此外外，通过过对这些些行星的的表面与与内部结结构、轨道演化化、大气气成份、卫星系统的深度度研究，可以探探索可居居住行星星的普遍遍性，这这对研究究生命起起

38、源与繁殖具有有重要意意义。TMT预预期的主主要科学学贡献：1）视向向速度方方法探测测太阳系系近邻的系外外行星TMT将将装备高分辩率光学学分光镜镜（HROOS），其光谱谱分辨率率R达到到300000500000，使得通通过多普勒勒视向速度度探测的范围增加300倍左右右。加上上 TMMT的110倍于于KECCK的集集光面积积，可以以在相当当短的时时间内达达到所需需要的视视向速度度精度，使其可可以在一一年内探探测到围绕早期期M型矮矮星的几几十到几几百颗轨轨道周期期在3001000天的的行星候候选体。利用TMMT可开开展太阳阳系近邻邻的系统搜索，尤其是是已经发发现气态行星的的行星系系统，看是是否存在在

39、类地行星星，其分分布特征征是否与与太阳系系相同，在可居居住区内内是否存存在类地行星星。系统统的搜索索还可以给出不同同类型恒星星的行星星拥有率，与主星星物理特特性的联联系，行行星质量、轨道分布布特征等等，这些对于研究究行星形形成、物物理与动动力学至至关重要。2）系外外行星的的直接成成像TMT的的自适应应光学系系统(AOO)以及及红外成像像分光仪仪(IRRIS)，结合日冕冕仪成像技技术和精确确天体测测量，可可以探测测离主星星较远距离离（550AUU）、与与主星相相比具有有中等对对比度（103-5）的的早期(年龄小于100亿年)自发光的气气态行星。更靠近近恒星的的行星需需要高对对比度的的成像技技术。

40、TMTT及其行行星形成成仪（PFII）设计计在低谱分辨率率(R70)下能达达到1008的对比度，可以对对1000pc以以内在00.550AAU轨道上的的0.55-122木星质质量的行行星直接接成像.利用TMMT的行行星成像像可对远远距离轨道上的的行星进进行系统搜索,从从而进行统计研究究。通过过对其内内部结构的拟合，可可以推断断其形成成机制是是引力不不稳定性还是核吸吸积。通过中等距距离轨道上的的成像，探索类类似太阳阳系的行行星系统统。探测更多围绕绕褐矮星星的行星星系统，发展褐矮矮星行星星系统的形成成理论。3）从吸吸收线探测行星大大气凌星过程程中恒星星光谱被行星星大气中中分子的的吸收可可以产生吸收

41、收线。这些特征征可以被被TMTT及其高高分辨率率分光计计所捕捉捉。模拟拟表明3小小时的TMTT/HRROS观观测，可可以探测测到一个个M型星星可居住住区内类类地行星星大气中中的氧（生命存存在的重重要表征征）是否否存在。122.5微微米的TTMT/NIRRES(近红外阶梯光栅分光仪)系统可以探探测到水,二二氧化碳碳以及甲甲烷的存在在.利用用TMTT可以在在一些类类木行星星中探测测水、二二氧化碳碳以及甲甲烷的存在在，在类地行星星大气中中寻找氧氧和其他他生命特特征。4）原恒恒星盘探测原恒星盘盘存在时标标以及气气体粘滞滞是两个个决定行行星形成成模式的的重要参参数。TTMT/MIRRES(中红外阶梯光栅

42、分光仪)具有有很高的的流量敏敏感度和和空间分辨率率，可以以利用分分子（如如氢分子）和原子子作为示踪器器来观测测限制原原恒星盘盘的演化化时标。此此外，通通过红外能能谱（盘中尘埃发出的红外超），光学学测光(紫外外超)和和分光计计（沿磁磁层吸积的线轮廓）等技术术，可以以对正在吸吸积的原恒恒星盘进进行观测，以以探测其在行行星形成成中盘的空洞洞的存在在，从而而对行星形形成理论论给出限制制。MIIRESS的中红红外分光光仪适合探探测原行星星盘中的有有机分子子。利用用TMTT可以系系统地探测原恒星星的盘消散时标标，探测原恒星星盘内部以以及盘中间的空洞洞，并与与行星的的视向速度度法探测测相配合。TTMT可可用

43、于探探测原恒星星盘中的有有机分子子，并与与太阳系系的有机机分子进进行比较。4.2 基础宇宙学学在人类历历史的长河中，对宇宙的的探索是是天文学学研究的的主要推推动力之一一。随着着观测仪仪器的发展与进步步，我们对对于宇宙宙的基本本认知也不不断地深深化。近近十余年年来，天天文观测测取得了了一些重重大的进进展，Wiilkiinsoon微波波背景各各向异性性探测器(WMMAP)，Slooan数数字巡天天(SDDSS)和超新新星巡天天等对宇宙学学参数的的精确测测量，不不仅使宇宙宙学的研研究步入了“精确级级”的辉煌时代，同同时也提出出了一些些重大的的挑战。例如如，天文文观测告诉我们由粒子子物理的的标准模型型

44、描述的的普通物物质只占宇宙宙组分的4%，而233%是不不与其它它物质作用（或作用用极其微微弱），但可通通过引力成成团的暗物物质，其余余的733%则是既不不与其它它物质作用（或作用用极其微微弱），又不不成团（或只只在接近近整个可可观测宇宙宙的尺度度上成团团），但使使得宇宙宙加速膨膨胀的暗能能量。寻找暗物物质粒子、研究暗暗能量的的物理本本质、探索索宇宙起起源及演演化的奥奥秘，结结合了粒粒子物理理和宇宙宙学两大大学科的的研究已已成为21世纪天文学学和物理理学的一一个重要要趋势。专家们普遍认为为暗物质、暗能能量理论论的突破破很可能能会引发发一场基础物理的的革命。为此，世世界各国国都在组组织力量量，积极

45、开展理论研究，策划（天体）粒子物物理实验验和大规模天文文巡天项目，以以推动这这一重大大交叉学学科的发发展。作为211世纪最重要要的下一一代地基基天文观观测设备备之一的的三十米米光学/红外天文文望远镜镜(TMTT）将具具有从光光学到近近红外波段段的极其其强大的观测测能力，从而在在宇宙学学研究的的前沿发发挥关键键作用。以下，我们阐阐述TMTT在暗物物质、暗能能量和基基本物理理常数恒恒定性方方面的应应用。尽管探测测暗物质粒子的的地下和和空间实实验已进行了十十几年，最近也也有一些些可能成成为探测事例的的结果被发表，但但确凿的暗物物质粒子探探测事例仍仍在搜寻寻中。即即使暗物物质粒子在在实验室里里被探测测到，它它的物理理属性仍仍可以通通过天文观测测来限制制。例如如，暗