巨型望远镜的世纪之争

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大口径的巨型望远镜是进行天文研究的利器

15年来，三个互相竞争的天文学家团队追逐着同一个梦想——在地球上建造最宏伟的望远镜。这些观星巨镜的口径将是现有最大光学望远镜的三倍，足以为环绕其他恒星运行的行星拍照，并能穿越广袤的宇宙空间，追溯临近宇宙大爆炸的时刻。

这样的梦幻天文台计划共有三个：由欧洲南方天文台（ESO）发起的欧洲极大望远镜（European Extremely Large Telescope，E-ELT）；由美国、澳大利亚、巴西和韩国的多家研究机构（如卡耐基研究所等）参与的巨型麦哲伦望远镜（Giant Magellan Telescope，GMT）；由美国加利福尼亚大学、加州理工学院、加拿大大学天文联盟、日本国立天文台、中国国家天文台和印度科技部共同建设的三十米望远镜（the Thirty Meter Telescope，TMT）。建造这三个望远镜共计将花费大约40亿美元，但到目前为止资金尚未全部落实，每个项目都在寻求更多的投资。其实，现在本应至少有一个巨型望远镜已经投入使用，而不是三个望远镜各自制造了一部分硬件，等待运往荒凉的台址。

三大望远镜大概都会在2020年后蹒跚着越过竞赛的终点线，建成并开始运行，但这已较原定计划延迟，且花费也将超出预算。这一切是怎么发生的？为什么会有目标相同的三个独立项目同时争夺经费？为什么它们不联合起来呢？这样至少可以确保不会所有计划全部失败。

这些问题一再被问及，提问者中还包括一个困惑的美国国家委员会——它负责评估对其中两大望远镜（GMT和TMT）的资助。我们采访了数十位科学家，也讨论了这个问题：如果不是有三个，而是只有一个或者两个项目会怎么样。几乎所有人都同意，如果参与竞争的几组天文学家没有拒绝一再出现的合作机会，人类会比现在更接近下一代巨型望远镜。这场竞争早在20世纪初就开始了，之后在个人冲突、沟通不畅、技术竞争和不断增强的敌意的驱使下一直持续至今。

历史恩怨

故事始于1917年。雄心勃勃的天文学家兼天文台长乔治· 埃勒里·海尔（George Ellery Hale）向世人展示了一个全新的科学设施：一台口径为100英寸的天文望远镜。

在望远镜的世界里，尺寸是很重要的，主镜越大，就能看得越远。新的望远镜坐落在威尔逊山上，就在当时仍拥有黑暗夜空的洛杉矶郊外。这台望远镜的落成使得地球上所有其他望远镜都相形见绌。其革命性的口径迅速带来了革命性的科学发现。埃德温· 哈勃（Edwin Hubble）用它发现了我们的银河系不过是宇宙中无数星系中的一个，并发现了宇宙正在膨胀的证据。

但海尔并不满足。他还想要一个更大的、200英寸的望远镜。100 英寸望远镜由卡耐基华盛顿研究所负责建造和运行，该研究所是由钢铁大王安德鲁· 卡耐基（Andrew Carnegie）捐资创办的。卡耐基不愿再花数百万美元上马一个新的望远镜，所以海尔狡猾地把项目推介到卡耐基的竞争对手——石油大亨约翰·D·洛克菲勒（Edwin Hubble）的基金会。1928年，洛克菲勒亲自批准了海尔的200英寸望远镜计划，最终共投资600万美元，是当时最大的一笔科学项目捐款。

这样做有一个隐患：卡耐基研究所的天文学家是世界上唯一一支具备建造新型望远镜的专业知识和经验的队伍。但洛克菲勒不愿意投钱给自己老对手的慈善基金。“这是不可能的事。”历史学家罗纳德· 弗洛伦斯（Ronald Florence）说。他是《完美的机器》（The Perfect Machine）的作者，这是一本关于200英寸望远镜的书——“于是，一大堆问题出现了。”

海尔想出了一个办法：洛克菲勒把建造望远镜的钱捐赠给加州理工学院——距离加州帕萨迪纳市的卡耐基天文台的总部不过两英里（约3千米）。当时的加州理工学院还只有一个雏形，一个天文学家都没有，更不用说天体物理学系。尽管如此，洛克菲勒基金会还是资助加州理工学院建造海尔的新望远镜以及望远镜的台址——位于圣迭戈县的帕洛马天文台。海尔认为，卡耐基的领导层会发现这样一个宏伟的天文观测设施的吸引力是不可抗拒的，从而会出借他们的专家来设计和建造新的望远镜。

但海尔错了。据弗洛伦斯所说，这份协议激怒了卡耐基研究所的主席约翰· 梅里亚姆（John Merriam），他认为这是一种不可饶恕的欺骗行为。他试图破坏这个项目，拒绝让卡耐基的科学家提供帮助，并想迫使洛克菲勒基金会撤出。绝望的海尔找到了外交官伊莱休· 鲁特(Elihu Root)，他是洛克菲勒和卡耐基的一个共同的老朋友。鲁特说服了梅里亚姆，使他最终签署了该项目。但这仅仅是开始。梅里亚姆怒气未消，此后多年他一直试图从加州理工学院夺取控制权。如弗洛伦斯所说，两个机构间变得越来越互不信任。

梅里亚姆退休后，两大机构达成了难得的休战协议。洛克菲勒基金会和它的天文学领域对手达成了这样一个协议：当这个200英寸的望远镜建成并初光时，它的所有权仍归属于洛克菲勒，但卡耐基研究所将负责它的运行。

两个机构之间脆弱的关系不可避免地影响到科学界，尤其是在20世纪60年代早期，荷兰裔美国天文学家马尔滕· 施密特（Maarten Schmidt）发现了类星体之后。起初，类星体看起来仅仅是天空中的暗淡恒星，但进一步的研究表明，它们实则距离非常遥远，光度高得不可思议。神秘的类星体迅速成为天文学最热门的研究课题，加州理工学院和卡耐基的研究人员争相使用世界上最大的望远镜来研究它们。为了争抢观测时间，有时陷入“初中水平的琐碎争端”，弗洛伦斯说。

1979年，在紧张关系持续了半个世纪之后，加州理工学院终于试图结束这样一个勉强的共管关系。这次分家并不顺利，掺杂进了强烈的个人恩怨。卡耐基的传奇天文学家艾伦·桑德奇（Allan Sandage，已故）一生都在帕洛玛天文台工作，此后却拒绝再次涉足该天文台。“这是离婚，你要选择站在丈夫或妻子一边，”弗洛伦斯说，“没人能够同时做双方的朋友。”

巨型麦哲伦望远镜概念图

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设计方案的冲突
在接下来的二十年里，两大机构走上了不同的发展道路。在20世纪90年代，加州理工学院与加利福尼亚大学合作在夏威夷莫纳克亚山推出了两台10米凯克望远镜，采用了全新的拼接镜面设计，即由许多小镜子拼接成一个更大口径的集光镜面。这一冒险物有所值：凯克的设计非常成功，此后多年都未能出现可与之竞争的观测设备，两所大学的天文学家得以长期稳居天文观测领域的世界领先水平。同时，卡耐基研究所坚持老的单镜面技术，进军南半球，在智利北部的阿塔卡马沙漠建造了两台6.5米的麦哲伦望远镜。
1999年，卡耐基研究所刚刚完成麦哲伦望远镜的建造，加州理工学院和加利福尼亚大学就宣布有意建造30米的望远镜。欧洲多国天文学家联合组建的欧洲南方天文台，甚至近乎玩笑式的宣布了更野心勃勃的计划——建造 100米的望远镜，命名为压倒性巨大望远镜（OverWhelmingly Large Telescope）。
对大多数天文学家而言，从10米望远镜跳到100米的计划野心大到了荒谬的地步。但是，让卡耐基天文台主任格斯·奥姆勒（Gus Oemler）惊惶的是，一个30米的望远镜似乎是可行的。他记得看到加州理工学院的公告之后自己感到的不适。“我们正致力于完成麦哲伦望远镜，它终于可以让落后多年的我们回到与加州理工学院平起平坐的地位。但突然之间，他们开始了下一阶段。”
经过激烈的辩论，卡耐基研究所倾向于和加州理工学院合作。双方都在犹豫，但各自机构的董事会认为是时候跨越隔膜和旧怨了。卡耐基研究所的天文学家艾伦· 德雷斯勒（Alan Dressler）说：“我们认为，距离2英里以内的两家机构分别建造两台巨型望远镜实在是太疯狂了。”
因此，在2000年6月21日，加州理工学院的天文学家沃尔·萨金特（Wal Sargent，已故）和时任物理系主任的汤姆·汤布雷洛（Tom Tombrello，已故）与卡耐基研究所的两位天文学家奥姆勒和德雷斯勒会面，讨论合作。
据说，这次讨论进展很不顺利。会议被误解所打断和破坏，最终徒劳无功。后来成为卡耐基天文台台长的温迪· 弗里德曼（Wendy Freedman)和现为ESO高级科学家，当时即将接替萨金特成为帕洛马天文台台长的理查德· 埃利斯（Richard Ellis）在四人会议结束后立刻询问情况，却从每个人那里都听到了一个不同的故事：德雷斯勒觉得加州理工学院没有认真对待卡耐基研究所的建议，而汤布雷洛误认为卡耐基研究所拿不出多少钱；奥姆勒说萨金特大部分时间冷漠地坐在那里不说话；萨金特后来说，他担心的是影响加州理工学院和加利福尼亚大学之间的微妙关系。但是萨金特在会议上没有解释过他的担心，埃利斯说，因此“理所当然，卡耐基研究所的人感觉被冒犯了。”
第二天，汤布雷洛发送电子邮件“来概括我们漫无边际的讨论”。加州理工学院暂时没兴趣和卡耐基研究所合作建造望远镜，汤布雷洛写道，尽管他没有排除这种可能性——如果这项工程过于昂贵的话。卡耐基研究所的天文学家觉得对方盛气凌人，感到自己被羞辱了。刚开始的合作就此夭折，两大机构之间由来已久的敌意继续增长。
那次会议是巨型望远镜历史的一个重要组成部分。埃利斯和许多天文学家一样，想知道如果那次会议有着不同的结果，现在的情形又会怎样。
“当你回顾当时情况的时候，会感到这真是个悲剧，”他说，“打几个电话，使用一点外交手段，我们就可以让卡耐基参与进来。如果他们加入合作，我们很可能已经有了一个巨型望远镜。”加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的天文学家加思· 伊林沃思（Garth Illingworth）说，仍有“足够多的残留怨恨和不满”阻碍了建设性的对话。“为什么就没有一个成熟一点的人，在会议室里帮助这些人克服这些旧怨呢？”他补充说。

欧洲极大望远镜概念图

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分道扬镳

经过这次失败的调停，对抗反而越发激烈。加州理工学院和加利福尼亚大学系统开发了TMT，预备建在夏威夷凯克望远镜旁边。同时，卡耐基研究所设计了GMT，一个口径24.5米的望远镜，预计安放在智利的拉斯坎帕纳斯天文台。与此同时，欧洲人把他们的梦想从“压倒性巨大”缩减为了“极大”，计划在智利建设39米口径的E-ELT。

这三个项目在全球筹措经费，有时会找到同一家机构。他们的方案都是合作共建望远镜，建成后按份额分享观测时间。例如，加拿大的天文学家就被卡耐基研究所和加州理工—加利福尼亚大学的团队同时追求，最终他们选择了后者。哈佛大学也被两方同时拉拢，它选择了卡耐基研究所。至少有一次，两支美国团队尴尬地在机场不期而遇，因为他们要去和同一个潜在的合作伙伴会面。欧洲人也不能超然事外：他们最初获得了巴西的支持，巴西总统同意加入ESO并给E-ELT以大笔投资。但巴西政局的动荡让协议陷入停滞。卡耐基研究所趁虚而入：2014年7月，巴西圣保罗大学加入了GMT项目，德雷斯勒表示GMT领导层希望巴西政府能够很快跟进，但此事仍然悬而未决。

最抢手的伙伴是美国政府，它可以用联邦经费为一台巨型望远镜提供财政支持，从而让全美天文学家都有使用巨型望远镜观测的机会。美国每十年组织专家进行一次调研，发布指南以指导联邦经费的使用方向。2000年，天文和天体物理学十年研究指南宣布，在地面光学天文方面，政府将优先支持下一代巨型望远镜项目。

在该指南的支持下，2003年美国科学基金会（NSF）开始讨论与加州理工—加利福尼亚大学系统合作共建TMT项目。但几个月后，GMT的天文学家写了一封信抗议说这种处理方式不公平，偏向TMT。这封信很有效：NSF犹豫不决，不愿在顶级光学天文团队日益分裂的情况下选边站队。

NSF的高级顾问韦恩· 范· 希特斯（Wayne Van Citters）表示，事实上并没有很多联邦经费可供分配。他说：“我们需要天文学界拧成一股绳，来决定他们想做哪一个。我们不可能同时支持两个项目。”

天文学界也一再试图这样做，但最终一无所获。欧洲的天文学家与这两个竞争对手也探讨了合作的可能性，但也只达成了分享技术见解的共识。2007年，在各自董事会的坚持下，TMT和GMT的领导人举行了几次热情不高的会议，讨论他们在一起工作的可能性，但没有什么成果。

2010年的天文和天体物理学十年研究调查小组对这种混乱的情况相当困惑，他们质疑为什么美国天文学界被要求支持两个独立的大型光学望远镜建造计划。最后，他们谁也不支持，把巨型望远镜项目放在了优先级列表的底部，实际上让它们失去了在下个10年中获得联邦经费的机会。

竞争在科学上并不罕见：聪明的头脑也往往伴随着更强的自我意识，从而容易产生冲突。有时候争端可以产生创新；其他时候，它们会把高尚的追求探索变成一系列琐碎的个人冲突。一些学科已经成功地说服潜在的竞争对手联合起来：高能物理学家组成大规模国际团队围绕粒子加速器进行研究；射电天文学家已经联合起来，共建下一代设施——造价14亿美元的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列。

相比之下，美国光学天文界已经被竞争撕裂。意大利裔美国天文学家、2002年诺贝尔物理学奖得主里卡尔多· 贾科尼（Riccardo Giacconi）2001年7月在美国科学院所做的讲演中将这一竞争描述为一个社会学问题。

加利福尼亚大学圣巴巴拉分校历史学家W· 帕特里克· 麦克雷（W. Patrick McCray）撰写了关于美国光学天文学界的《巨型望远镜》（Giant Telescopes）一书。他指出加州理工学院和卡耐基研究所之间的敌意持续的时间相当长：自1928年他们就一直针对大型望远镜争吵不休。“你只要想想看，（这么长时间了，）他们就什么教训也没学到？”麦克雷说。

但竞争本身并不能解释整个事态。多伦多大学（参与TMT项目，加拿大大学天文联盟成员之一）的天文学家雷·卡尔伯格（Ray Carlberg）认为，各自建造不同的巨型望远镜有合理的理由。最初天文学家相信会有足够的资金把3个望远镜都建起来，它们分别坐落在南北半球，从而保证整个天空都可被观测覆盖。“世界上已经建造了很多台8米和10米的望远镜，再建几个更大的也没有什么不合理的。”卡尔伯格说。当加州理工学院明显需要卡耐基研究所帮助的时候，卡耐基研究所已经在自己的项目中投入过多，而不能放弃它了。

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望远镜太多了？

夏威夷大岛莫纳克亚山巨大峰顶的一角已经为TMT平整了场地。望远镜的主镜直径30米，尺寸相当于美国国会穹顶。它将由492个边长1.44米的六边形子镜拼接而成。这些子镜装在休眠火山顶一个18层的结构上。该项目已获得土地使用许可，尽管它仍然面临着一些夏威夷土著和环保人士的强烈反对和法律挑战。为了筹集15亿美元的建设费用，加州理工学院和加利福尼亚大学与中国、日本、印度和加拿大达成了国际合作。项目仍有2.7亿美元的资金缺口，顺利的话望远镜将在2020年后不久的某个时候建成。

在TMT的帕萨迪纳总部十一个街区以外，卡耐基研究所与合作伙伴们正在建造24.5米的 GMT望远镜。它将包括七个8.4米的镜子，一个在中间，其他六个像花瓣一样环绕在四周。这和TMT采取大量六角形小镜面拼接的技术路线很不相同，互不兼容。GMT的四块镜面已经在亚利桑那大学的一个实验室中铸造完毕。更适中的规模和设计意味着更少的花费：GMT预算只要10亿美元。卡耐基研究所已经获得了韩国、澳大利亚和巴西的大学，以及美国本土一些大学的支持。他们已经筹集了大约一半的资金在智利拉斯坎帕纳斯天文台建造GMT。如果一切按计划进行，GMT将于2022年开始进行观测。

沿着泛美公路从拉斯坎帕纳斯行驶12小时就抵达塞鲁阿玛逊斯山，这座沙漠里的山峰将是E-ELT栖身之所。该台址最初是由TMT的天文学家选定的，在最终决定把TMT建在北半球之前，他们花了数年的功夫监测山顶的大气透明度和大气湍流。他们的工作最终成就了欧洲人，ESO决定将自己的E-ELT建在那里。今天，山顶已被炸药和重型机械刮成了一个足球场大小的平面，一条刚铺好的路通向那里。从山上向东看，可见海拔6 723米的安第斯火山尤耶亚科，在那里印加人曾经向神奉献他们的孩子。它和其他荒芜的景观会在黄昏消失，让位于满天的繁星。

直径39米的E-ELT将是所有下一代望远镜中最大的一个。和TMT一样，它也是拼接镜面设计，但不同于TMT的492块六角形子镜，它的子镜数高达798块。2014年12月，ESO投票决定开始E-ELT的第一期建设。二期工程的经费尚未到位。该望远镜预计2024年开始观测，总预算11亿欧元。

一旦建成，三个望远镜将拥有协同优势，E-ELT的罗伯特· 吉尔默兹（Roberto Gilmozzi）说。E-ELT将专注于提供高分辨率的小天区成像；GMT在宽视场天文学上更为出色。而TMT将坐落在另一个半球，能观测不同的天空。

像为撰写这篇文章而采访的其他大多数天文学家一样，吉尔默兹认为，如果只有两个巨型望远镜计划，而不是三个，那么这两个可能都已经接近完工了，并且能少花数亿美元。“如果不考虑到钱的问题，望远镜越多越好。”他说，“从科学的角度来说，只要能负担得起建造费用，我希望有100个巨型望远镜。”不幸的是，建造望远镜只是第一步。无论GMT还是TMT目前都没有足够的钱在望远镜建成后维持运行。他们都寄希望于联邦政府的最终介入。但范· 希特斯说，目前还不清楚政府能出多少钱。每个望远镜的预期运行成本都超过每年2 500万美元。“这足以让人做噩梦。”麦克雷说。

即便如此，望远镜太多的问题也有着光明的一面：有一天世界上将有三个巨大的眼睛凝视着宇宙。这将是科学的一大胜利，麦克雷说。“如果这种情况是一个悲剧，那也只是一个小悲剧。”