科學家的新一代天文台：打造直徑 30 公尺望遠鏡
運用最新科技興建大型光學天文望遠鏡的計畫，一直是天文學家追求的目標。目前世界最大的光學望遠鏡是美國兩座凱克望遠鏡（Keck Observatory），主鏡片各有 10 公尺，1996 年完工，也是 20 多年前的科技了。
關於 30 公尺望遠鏡（Thirty Meter Telescope，TMT）的設計與規畫，早在 2000 年代左右便已開始進行。這座正在興建的 30 公尺望遠鏡，預計將耗資約 24 億美元 （約新台幣 720 億元）打造。
30 公尺望遠鏡的最新科技
要裝下 30 公尺大的鏡片，天文台會是相當巨大的建築物，這也是 30 公尺望遠鏡最吸引人的特色之一。
望遠鏡的光圈將會和圓頂上方的「洞」相對應，這個可以移動的「洞」，可以大幅降低周遭的光害，並增進遠方光線的敏感度。圍繞在天文台建築物四周的「百葉窗」，可平衡望遠鏡內外的溫度與濕度，自然減少建築物對觀測活動的干擾，可說是天文界的「綠建築」！
望遠鏡主鏡片是由 492 片直徑 1.4 公尺的六角「鏡塊」組成直徑 30 公尺的大鏡片，而不是一體成形的單一鏡片。這種「鑲嵌」鏡片，除了能突破鍍造單一鏡片的技術極限，更能大幅減少鏡片形變造成的影響。完工後的 30 公尺主鏡片，面積與集光力將是上述凱克望遠鏡的 9 倍，意思是科學家可用同樣的時間，觀測到亮度 9 倍弱的遙遠光源。
（Source：MT International Observatory）
除了可看到極微弱的光線，靠著「適應光學」（adaptive optics）系統，30 公尺望遠鏡也有極高解析度。適應光學為運用人工雷射的「導航星」（guided stars）即時修正大氣干擾的系統，密布「附著」在主鏡片背面，收到修正訊號後，運用微型馬達快速修正鏡片表面，以達到修正影像解析度的效果。
▲ 30 公尺望遠鏡的適應光學系統示意圖。光源從上方進入望遠鏡後，透過控制系統 （control system） 計算大氣擾動的幅度，並即時回報給可形變的鏡片 （deformable mirror） 進行修正。最後修正後的影像再由高解析度相機接收 （high-resolution camera）。（Source：TMT general brochure）
適應光學系統其實已有 30 年左右歷史，但是 30 公尺望遠鏡運用的最新科技，使適應光學系統的精確度與速度都更優於其他大型望遠鏡。透過適應光學，30 公尺望遠鏡在近紅外線波長可達 8 微角秒 （milli-arcsecond） 左右解析度，這除了已經接近理論光學的「繞射極限」，更超越目前太空望遠鏡如哈伯太空望遠鏡的解析度。
30 公尺望遠鏡即將達成在地表也可以有太空望遠鏡等級的解析度，除了移除大氣層的影響，也免除建造與維護太空望遠鏡的昂貴成本。
30 公尺望遠鏡的科學
安裝在 30 公尺望遠鏡的儀器，將由 3 個「曙光儀器」（first-light instruments） 領軍：廣域可見光譜儀 （Wide Field Optical Spectrometer，WFOS）、紅外線影像光譜儀 （Infrared Imaging Spectrometer，IRIS） 與紅外線多物件光譜儀 （Infrared Multi-object Spectrometer，IRMS）。這 3 個曙光儀器將協助科學家校正與「操練」30 公尺望遠鏡的極限。
雖然設計為可見光光學望遠鏡，但 30 公尺望遠鏡能從短波長的紫外線一路觀測到長波長的中紅外線。除照片外，3 個曙光儀器也可以觀察天體的光譜。這些特色使 30 公尺望遠鏡有很大的科學潛力。
極高的集光力表示 30 公尺望遠鏡可觀測到極遠、亮度極微弱的天體，這對研究星系演化的天文學家來說，能觀測到大量的早期星系 （primordial galaxies） 與星團 （star clusters），由此可以解釋理論星系演化的許多模型。
極高的解析度使 30 公尺望遠鏡能產出低雜訊與高細節的照片。在高解析度的星系團照片，科學家可以透過「弱重力透鏡」（weak lensing） 效應，研究暗物質 （dark matter） 與宇宙學的理論模型。高解析度的星系中心照片，科學家則可研究黑洞吸積盤周圍物質受到黑洞什麼影響，進而證明或修正黑洞與廣義相對論的模型。在高解析度的恆星照片，可發現更多有更複雜軌道特性的「系外行星」（exoplanets）。
運用 30 公尺望遠鏡的紅外線儀器，科學家能「透視」可見光無法見到、充滿塵埃與氣體的星際間物質 （interstellar medium）。這些物質是孕育恆星與行星生成的「搖籃」，對了解太陽系生成過程有極大幫助。
30 公尺望遠鏡的光譜儀更能偵測到微弱的譜線，協助科學家尋找如星際間有機物等物質，最終也能為尋找外星生命有貢獻。
30 公尺望遠鏡與夏威夷
30 公尺望遠鏡最引人注目的，也許就是地點了。「要在哪裡建造天文台」是個重要議題，30 公尺望遠鏡團隊總共挑選南北半球五處地點探勘（包含智利兩處，墨西哥、西班牙與夏威夷各一處），最後由夏威夷獲得一致青睞。
夏威夷也許是觀光勝地，有夏季海島型氣候。但在其中「大島」（Big Island），有標高 4,207 公尺的茂納基亞火山 （Mauna Kea），山上氣溫往往接近零度，冬天更是天天破零。因為山頂乾燥、寒冷與穩定的氣候，早有許多大型天文台常駐於此。
30 公尺望遠鏡除了提供天文學家進行更大量與精密的研究，對夏威夷當地經濟發展也充滿潛力。
夏威夷經濟收入來源主要為觀光業，每年約有 700 萬美元（約新台幣 2.1 億元）觀光收入與天文產業有關。如果加上周邊產業，每年更有約 1.67 億美元（約新台幣 50 億元）利潤。
30 公尺望遠鏡的建造過程，預計可提供 300 多個工作機會，完工之後更會提供 140 個永久職位，加上觀光客增加帶來的額外收入，預計每年可為夏威夷帶來約 260 萬美元（約新台幣 8 千萬元）利潤。
可是，30 公尺望遠鏡的建造早從動土開始就碰到一連串阻礙。茂納基亞火山位在自然保護區裡，附近有相當多雨林、冰河與火山地形，也經是電影《侏羅紀公園》取景地之一。人文方面，這座火山更是夏威夷原住民的聖山，就算山頂蓋了 13 座天文台，只再多蓋一座更大型的，還是讓許多人難以接受。
從 2014 年 10 月開始，當地保育團體與原住民開始阻礙望遠鏡工程，後來更演變為長期請願運動「Puʻuhonua o Puʻuhuluhulu」，使 30 公尺望遠鏡興建被迫暫停。
▲ 當地人士舉著「我們永遠不會放棄。30 公尺望遠鏡不會建造」的布條抗議。（Source：Puʻuhonua o Puʻuhuluhulu）
「Puʻuhonua o Puʻuhuluhulu」網站首頁明寫，「除非 30 公尺望遠鏡離開夏威夷，否則我們不會離開茂納基亞火山。」
30 公尺望遠鏡命運未卜，但趁著疫情空檔，讓我們反思，如果明天要投票，你會投文化保存，還是尖端科學呢？
（首圖為 30 公尺望遠鏡完工時想像圖；來源：TMT）
留言 3