世紀豪門恩怨：為何囊中羞澀的天文學家要同時建造3台超級望遠鏡？
本文原載於《環球科學》，未經許可請勿轉載。
撰文?凱蒂·沃思（Katie Worth）?
翻譯?沈志俠?
審校?薛隨建
15年來，三個互相競爭的天文學家團隊追逐著同一個夢想——在地球上建造最宏偉的望遠鏡。這些觀星巨鏡的口徑將是現有最大光學望遠鏡的三倍，足以為環繞其他恆星運行的行星拍照，並能穿越廣袤的宇宙空間，追溯臨近宇宙大爆炸的時刻。
這樣的夢幻天文台計劃共有三個：由歐洲南方天文台（ESO）發起的歐洲極大望遠鏡（European Extremely Large Telescope，E-ELT）；由美國、澳大利亞、巴西和韓國的多家研究機構（如卡耐基研究所等）參與的巨型麥哲倫望遠鏡（Giant Magellan Telescope，GMT）；由美國加利福尼亞大學、加州理工學院、加拿大大學天文聯盟、日本國立天文台、中國國家天文台和印度科技部共同建設的三十米望遠鏡（the Thirty Meter Telescope，TMT）。建造這三個望遠鏡共計將花費大約40億美元，但到目前為止資金尚未全部落實，每個項目都在尋求更多的投資。其實，現在本應至少有一個巨型望遠鏡已經投入使用，而不是三個望遠鏡各自製造了一部分硬體，等待運往荒涼的台址。
三十米望遠鏡
三大望遠鏡大概都會在2020年後蹣跚著越過競賽的終點線，建成並開始運行，但這已較原定計劃延遲，且花費也將超出預算。
這一切是怎麼發生的？為什麼會有目標相同的三個獨立項目同時爭奪經費？為什麼它們不聯合起來呢？這樣至少可以確保不會所有計劃全部失敗。
這些問題一再被問及，提問者中還包括一個困惑的美國國家委員會——它負責評估對其中兩大望遠鏡（GMT和TMT）的資助。我們採訪了數十位科學家，也討論了這個問題：如果不是有三個，而是只有一個或者兩個項目會怎麼樣。幾乎所有人都同意，如果參與競爭的幾組天文學家沒有拒絕一再出現的合作機會，人類會比現在更接近下一代巨型望遠鏡。這場競爭早在20世紀初就開始了，之後在個人衝突、溝通不暢、技術競爭和不斷增強的敵意的驅使下一直持續至今。
歷史恩怨
故事始於1917年。雄心勃勃的天文學家兼天文台長喬治·埃勒里·海爾（George Ellery Hale）向世人展示了一個全新的科學設施：一台口徑為100英寸的天文望遠鏡。
在望遠鏡的世界裡，尺寸是很重要的，主鏡越大，就能看得越遠。新的望遠鏡坐落在威爾遜山上，就在當時仍擁有黑暗夜空的洛杉磯郊外。這台望遠鏡的落成使得地球上所有其他望遠鏡都相形見絀。其革命性的口徑迅速帶來了革命性的科學發現。埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）用它發現了我們的銀河系不過是宇宙中無數星系中的一個，並發現了宇宙正在膨脹的證據。
但海爾並不滿足。他還想要一個更大的、200英寸的望遠鏡。
100 英寸望遠鏡由卡耐基華盛頓研究所負責建造和運行，該研究所是由鋼鐵大王安德魯·卡耐基（Andrew Carnegie）捐資創辦的。卡耐基不願再花數百萬美元上馬一個新的望遠鏡，所以海爾狡猾地把項目推介到卡耐基的競爭對手——石油大亨約翰·D·洛克菲勒（Edwin Hubble）的基金會。1928年，洛克菲勒親自批准了海爾的200英寸望遠鏡計劃，最終共投資600萬美元，是當時最大的一筆科學項目捐款。
200英寸海爾望遠鏡
這樣做有一個隱患：卡耐基研究所的天文學家是世界上唯一一支具備建造新型望遠鏡的專業知識和經驗的隊伍。但洛克菲勒不願意投錢給自己老對手的慈善基金。「這是不可能的事。」歷史學家羅納德·弗洛倫斯（Ronald Florence）說。他是《完美的機器》（The Perfect Machine）的作者，這是一本關於200英寸望遠鏡的書——「於是，一大堆問題出現了。」
海爾想出了一個辦法：洛克菲勒把建造望遠鏡的錢捐贈給加州理工學院——距離加州帕薩迪納市的卡耐基天文台的總部不過兩英里（約3千米）。當時的加州理工學院還只有一個雛形，一個天文學家都沒有，更不用說天體物理學系。儘管如此，洛克菲勒基金會還是資助加州理工學院建造海爾的新望遠鏡以及望遠鏡的台址——位於聖迭戈縣的帕洛馬天文台。海爾認為，卡耐基的領導層會發現這樣一個宏偉的天文觀測設施的吸引力是不可抗拒的，從而會出借他們的專家來設計和建造新的望遠鏡。
但海爾錯了。據弗洛倫斯所說，這份協議激怒了卡耐基研究所的主席約翰·梅里亞姆（John Merriam），他認為這是一種不可饒恕的欺騙行為。他試圖破壞這個項目，拒絕讓卡耐基的科學家提供幫助，並想迫使洛克菲勒基金會撤出。絕望的海爾找到了外交官伊萊休·魯特(Elihu Root)，他是洛克菲勒和卡耐基的一個共同的老朋友。魯特說服了梅里亞姆，使他最終簽署了該項目。
但這僅僅是開始。梅里亞姆怒氣未消，此後多年他一直試圖從加州理工學院奪取控制權。如弗洛倫斯所說，兩個機構間變得越來越互不信任。
梅里亞姆退休後，兩大機構達成了難得的休戰協議。洛克菲勒基金會和它的天文學領域對手達成了這樣一個協議：當這個200英寸的望遠鏡建成並初光時，它的所有權仍歸屬於洛克菲勒，但卡耐基研究所將負責它的運行。
兩個機構之間脆弱的關係不可避免地影響到科學界，尤其是在20世紀60年代早期，荷蘭裔美國天文學家馬爾滕·施密特（Maarten Schmidt）發現了類星體之後。起初，類星體看起來僅僅是天空中的暗淡恆星，但進一步的研究表明，它們實則距離非常遙遠，光度高得不可思議。神秘的類星體迅速成為天文學最熱門的研究課題，加州理工學院和卡耐基的研究人員爭相使用世界上最大的望遠鏡來研究它們。為了爭搶觀測時間，有時陷入「初中水平的瑣碎爭端」，弗洛倫斯說。
1979年，在緊張關係持續了半個世紀之後，加州理工學院終於試圖結束這樣一個勉強的共管關係。這次分家並不順利，摻雜進了強烈的個人恩怨。卡耐基的傳奇天文學家艾倫·桑德奇（Allan Sandage，已故）一生都在帕洛瑪天文台工作，此後卻拒絕再次涉足該天文台。「這是離婚，你要選擇站在丈夫或妻子一邊，」弗洛倫斯說，「沒人能夠同時做雙方的朋友。」
設計方案的衝突
在接下來的二十年里，兩大機構走上了不同的發展道路。在20世紀90年代，加州理工學院與加利福尼亞大學合作在夏威夷莫納克亞山推出了兩台10米凱克望遠鏡，採用了全新的拼接鏡面設計，即由許多小鏡子拼接成一個更大口徑的集光鏡面。這一冒險物有所值：凱克的設計非常成功，此後多年都未能出現可與之競爭的觀測設備，兩所大學的天文學家得以長期穩居天文觀測領域的世界領先水平。同時，卡耐基研究所堅持老的單鏡面技術，進軍南半球，在智利北部的阿塔卡馬沙漠建造了兩台6.5米的麥哲倫望遠鏡。
兩台10米口徑的凱克望遠鏡
1999年，卡耐基研究所剛剛完成麥哲倫望遠鏡的建造，加州理工學院和加利福尼亞大學就宣布有意建造30米的望遠鏡。歐洲多國天文學家聯合組建的歐洲南方天文台，甚至近乎玩笑式的宣布了更野心勃勃的計劃——建造 100米的望遠鏡，命名為壓倒性巨大望遠鏡（OverWhelmingly Large Telescope）。
對大多數天文學家而言，從10米望遠鏡跳到100米的計劃野心大到了荒謬的地步。但是，讓卡耐基天文台主任格斯·奧姆勒（Gus Oemler）驚惶的是，一個30米的望遠鏡似乎是可行的。他記得看到加州理工學院的公告之後自己感到的不適。「我們正致力於完成麥哲倫望遠鏡，它終於可以讓落後多年的我們回到與加州理工學院平起平坐的地位。但突然之間，他們開始了下一階段。」
經過激烈的辯論，卡耐基研究所傾向於和加州理工學院合作。雙方都在猶豫，但各自機構的董事會認為是時候跨越隔膜和舊怨了。卡耐基研究所的天文學家艾倫·德雷斯勒（Alan Dressler）說：「我們認為，距離2英里以內的兩家機構分別建造兩台巨型望遠鏡實在是太瘋狂了。」
因此，在2000年6月21日，加州理工學院的天文學家沃爾·薩金特（Wal Sargent，已故）和時任物理系主任的湯姆·湯布雷洛（Tom Tombrello，已故）與卡耐基研究所的兩位天文學家奧姆勒和德雷斯勒會面，討論合作。
據說，這次討論進展很不順利。會議被誤解所打斷和破壞，最終徒勞無功。後來成為卡耐基天文台台長的溫迪·弗里德曼（Wendy Freedman)和現為ESO高級科學家，當時即將接替薩金特成為帕洛馬天文台台長的理查德·埃利斯（Richard Ellis）在四人會議結束後立刻詢問情況，卻從每個人那裡都聽到了一個不同的故事：德雷斯勒覺得加州理工學院沒有認真對待卡耐基研究所的建議，而湯布雷洛誤認為卡耐基研究所拿不出多少錢；奧姆勒說薩金特大部分時間冷漠地坐在那裡不說話；薩金特後來說，他擔心的是影響加州理工學院和加利福尼亞大學之間的微妙關係。但是薩金特在會議上沒有解釋過他的擔心，埃利斯說，因此「理所當然，卡耐基研究所的人感覺被冒犯了。」
第二天，湯布雷洛發送電子郵件「來概括我們漫無邊際的討論」。加州理工學院暫時沒興趣和卡耐基研究所合作建造望遠鏡，湯布雷洛寫道，儘管他沒有排除這種可能性——如果這項工程過於昂貴的話。卡耐基研究所的天文學家覺得對方盛氣凌人，感到自己被羞辱了。剛開始的合作就此夭折，兩大機構之間由來已久的敵意繼續增長。
那次會議是巨型望遠鏡歷史的一個重要組成部分。埃利斯和許多天文學家一樣，想知道如果那次會議有著不同的結果，現在的情形又會怎樣。
「當你回顧當時情況的時候，會感到這真是個悲劇，」他說，「打幾個電話，使用一點外交手段，我們就可以讓卡耐基參與進來。如果他們加入合作，我們很可能已經有了一個巨型望遠鏡。」
加利福尼亞大學聖克魯斯分校的天文學家加思·伊林沃思（Garth Illingworth）說，仍有「足夠多的殘留怨恨和不滿」阻礙了建設性的對話。「為什麼就沒有一個成熟一點的人，在會議室里幫助這些人克服這些舊怨呢？」他補充說。
分道揚鑣
經過這次失敗的調停，對抗反而越發激烈。加州理工學院和加利福尼亞大學系統開發了TMT，預備建在夏威夷凱克望遠鏡旁邊。同時，卡耐基研究所設計了GMT，一個口徑24.5米的望遠鏡，預計安放在智利的拉斯坎帕納斯天文台。與此同時，歐洲人把他們的夢想從「壓倒性巨大」縮減為了「極大」，計劃在智利建設39米口徑的E-ELT。
這三個項目在全球籌措經費，有時會找到同一家機構。他們的方案都是合作共建望遠鏡，建成後按份額分享觀測時間。例如，加拿大的天文學家就被卡耐基研究所和加州理工—加利福尼亞大學的團隊同時追求，最終他們選擇了後者。哈佛大學也被兩方同時拉攏，它選擇了卡耐基研究所。至少有一次，兩支美國團隊尷尬地在機場不期而遇，因為他們要去和同一個潛在的合作夥伴會面。歐洲人也不能超然事外：他們最初獲得了巴西的支持，巴西總統同意加入ESO並給E-ELT以大筆投資。但巴西政局的動蕩讓協議陷入停滯。卡耐基研究所趁虛而入：2014年７月，巴西聖保羅大學加入了GMT項目，德雷斯勒表示GMT領導層希望巴西政府能夠很快跟進，但此事仍然懸而未決。
最搶手的夥伴是美國政府，它可以用聯邦經費為一台巨型望遠鏡提供財政支持，從而讓全美天文學家都有使用巨型望遠鏡觀測的機會。美國每十年組織專家進行一次調研，發布指南以指導聯邦經費的使用方向。2000年，天文和天體物理學十年研究指南宣布，在地面光學天文方面，政府將優先支持下一代巨型望遠鏡項目。
在該指南的支持下，2003年美國科學基金會（NSF）開始討論與加州理工—加利福尼亞大學系統合作共建TMT項目。但幾個月後，GMT的天文學家寫了一封信抗議說這種處理方式不公平，偏向TMT。這封信很有效：NSF猶豫不決，不願在頂級光學天文團隊日益分裂的情況下選邊站隊。
NSF的高級顧問韋恩·范·希特斯（Wayne Van Citters）表示，事實上並沒有很多聯邦經費可供分配。他說：「我們需要天文學界擰成一股繩，來決定他們想做哪一個。我們不可能同時支持兩個項目。」
天文學界也一再試圖這樣做，但最終一無所獲。歐洲的天文學家與這兩個競爭對手也探討了合作的可能性，但也只達成了分享技術見解的共識。2007年，在各自董事會的堅持下，TMT和GMT的領導人舉行了幾次熱情不高的會議，討論他們在一起工作的可能性，但沒有什麼成果。
2010年的天文和天體物理學十年研究調查小組對這種混亂的情況相當困惑，他們質疑為什麼美國天文學界被要求支持兩個獨立的大型光學望遠鏡建造計劃。最後，他們誰也不支持，把巨型望遠鏡項目放在了優先順序列表的底部，實際上讓它們失去了在下個10年中獲得聯邦經費的機會。
競爭在科學上並不罕見：聰明的頭腦也往往伴隨著更強的自我意識，從而容易產生衝突。有時候爭端可以產生創新；其他時候，它們會把高尚的追求探索變成一系列瑣碎的個人衝突。一些學科已經成功地說服潛在的競爭對手聯合起來：高能物理學家組成大規模國際團隊圍繞粒子加速器進行研究；射電天文學家已經聯合起來，共建下一代設施——造價14億美元的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列。
相比之下，美國光學天文界已經被競爭撕裂。義大利裔美國天文學家、2002年諾貝爾物理學獎得主里卡爾多· 賈科尼（Riccardo Giacconi）2001年7月在美國科學院所做的講演中將這一競爭描述為一個社會學問題。
加利福尼亞大學聖巴巴拉分校歷史學家W·帕特里克·麥克雷（W. Patrick McCray）撰寫了關於美國光學天文學界的《巨型望遠鏡》（Giant Telescopes）一書。他指出加州理工學院和卡耐基研究所之間的敵意持續的時間相當長：自1928年他們就一直針對大型望遠鏡爭吵不休。「你只要想想看，（這麼長時間了，）他們就什麼教訓也沒學到？」麥克雷說。
但競爭本身並不能解釋整個事態。多倫多大學（參與TMT項目，加拿大大學天文聯盟成員之一）的天文學家雷·卡爾伯格（Ray Carlberg）認為，各自建造不同的巨型望遠鏡有合理的理由。最初天文學家相信會有足夠的資金把3個望遠鏡都建起來，它們分別坐落在南北半球，從而保證整個天空都可被觀測覆蓋。「世界上已經建造了很多台8米和10米的望遠鏡，再建幾個更大的也沒有什麼不合理的。」卡爾伯格說。當加州理工學院明顯需要卡耐基研究所幫助的時候，卡耐基研究所已經在自己的項目中投入過多，而不能放棄它了。
望遠鏡太多了？
夏威夷大島莫納克亞山巨大峰頂的一角已經為TMT平整了場地。望遠鏡的主鏡直徑30米，尺寸相當於美國國會穹頂。它將由492個邊長1.44米的六邊形子鏡拼接而成。這些子鏡裝在休眠火山頂一個18層的結構上。該項目已獲得土地使用許可，儘管它仍然面臨著一些夏威夷土著和環保人士的強烈反對和法律挑戰。為了籌集15億美元的建設費用，加州理工學院和加利福尼亞大學與中國、日本、印度和加拿大達成了國際合作。項目仍有2.7億美元的資金缺口，順利的話望遠鏡將在2020年後不久的某個時候建成。
在TMT的帕薩迪納總部十一個街區以外，卡耐基研究所與合作夥伴們正在建造24.5米的 GMT望遠鏡。它將包括七個8.4米的鏡子，一個在中間，其他六個像花瓣一樣環繞在四周。這和TMT採取大量六角形小鏡面拼接的技術路線很不相同，互不兼容。GMT的四塊鏡面已經在亞利桑那大學的一個實驗室中鑄造完畢。更適中的規模和設計意味著更少的花費：GMT預算只要10億美元。卡耐基研究所已經獲得了韓國、澳大利亞和巴西的大學，以及美國本土一些大學的支持。他們已經籌集了大約一半的資金在智利拉斯坎帕納斯天文台建造GMT。如果一切按計劃進行，GMT將於2022年開始進行觀測。
巨型麥哲倫望遠鏡
沿著泛美公路從拉斯坎帕納斯行駛12小時就抵達塞魯阿瑪遜斯山，這座沙漠里的山峰將是E-ELT棲身之所。該台址最初是由TMT的天文學家選定的，在最終決定把TMT建在北半球之前，他們花了數年的功夫監測山頂的大氣透明度和大氣湍流。他們的工作最終成就了歐洲人，ESO決定將自己的E-ELT建在那裡。今天，山頂已被炸藥和重型機械刮成了一個足球場大小的平面，一條剛鋪好的路通向那裡。從山上向東看，可見海拔6 723米的安第斯火山尤耶亞科，在那裡印加人曾經向神奉獻他們的孩子。它和其他荒蕪的景觀會在黃昏消失，讓位於滿天的繁星。
直徑39米的E-ELT將是所有下一代望遠鏡中最大的一個。和TMT一樣，它也是拼接鏡面設計，但不同於TMT的492塊六角形子鏡，它的子鏡數高達798塊。2014年12月，ESO投票決定開始E-ELT的第一期建設。二期工程的經費尚未到位。該望遠鏡預計2024年開始觀測，總預算11億歐元。
歐洲極大望遠鏡
一旦建成，三個望遠鏡將擁有協同優勢，E-ELT的羅伯特·吉爾默茲（Roberto Gilmozzi）說。E-ELT將專註於提供高解析度的小天區成像；GMT在寬視場天文學上更為出色。而TMT將坐落在另一個半球，能觀測不同的天空。
像為撰寫這篇文章而採訪的其他大多數天文學家一樣，吉爾默茲認為，如果只有兩個巨型望遠鏡計劃，而不是三個，那麼這兩個可能都已經接近完工了，並且能少花數億美元。「如果不考慮到錢的問題，望遠鏡越多越好。」他說，「從科學的角度來說，只要能負擔得起建造費用，我希望有100個巨型望遠鏡。」
不幸的是，建造望遠鏡只是第一步。無論GMT還是TMT目前都沒有足夠的錢在望遠鏡建成後維持運行。他們都寄希望於聯邦政府的最終介入。但范·希特斯說，目前還不清楚政府能出多少錢。每個望遠鏡的預期運行成本都超過每年2 500萬美元。「這足以讓人做噩夢。」麥克雷說。
即便如此，望遠鏡太多的問題也有著光明的一面：有一天世界上將有三個巨大的眼睛凝視著宇宙。這將是科學的一大勝利，麥克雷說。「如果這種情況是一個悲劇，那也只是一個小悲劇。」
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