陈昱光：“世界最大”光学望远镜该怎么建，两位院士有争议，谈谈我的看法

陈昱光，毕业于北大天文系，现在加州理工学院从事科研。下文是他就12米光学红外望远镜设计方案谈的看法：

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。

曹局，

接到院条财局通知，你要和我沟通关于12 米望远镜的事，我因在医院不能离开，故准备了一份书面意见，供你参考。如需要进一步沟通， 可再联系。

陈建生

我们和崔向群的分歧

1.为了解决围绕12 米望远镜问题的分歧， 我们必须深刻分析分歧的本质，只有弄清这个问题，才能从根本上找到解决的办法。

2. 我们和崔的分歧本质是技术路线和科学路线的分歧，是大科学工程由技术导向还是科学导向的分歧 ?

3. 在技术路线上，我们认为12 米望远镜是一项极其困难，极其挑战的项目，是因为这个项目要在海拔5000 米以上极其艰难、恶劣的条件下建设极其精密、极其宏伟的工程，是因为这个工程要在5 年时间，有限经费下建成， 尤其是因为我国在建设望远镜方面， 特别是大型望远镜方面极其缺乏经验，缺乏人才。

我国在通用型望远镜建造的最大望远镜是2.16 米望远镜，即使这样小的望远镜，在当时就不是一个先进的望远镜。 建造口径最大的专用望远镜LAMOST， 也不是非常成功的望远镜， 它的有效通光口径是4 米， 但其性能不及美国SLOAN 的 2.5 米望远镜。 从这样的基础一下跳跃到12 米，可以想像会有多大的风险！

4. 因此，我们的技术路线是要尽可能采用国际上最成熟的技术。 国际上已建成的超过10 台10 米级望远镜无一不是采用3-镜系统，因此国际上积累了大量的正面和反面的经验，吸取、消化这些宝贵经验可以最大可能保证我们成功建成12 米望远镜。采用成熟技术，保证工程成功是全世界大工程所尊守的最基本的原则！

5. 与我们的技术路线完全相反的是崔向群的技术路线， 她要的是标新立异，国外搞3-镜系统，我就要搞4-镜系统， 以表示我们有“创新”， 这种“创新”不是为了带来更多的技术或科学上的效益（这点我在下面分析） 是为‘创新’而‘创新’，是为媒体宣传， 是迎合当前时髦的‘民族自尊心’。

6. 崔向群的错误技术路线有两方面原因。

一方面， 错误地估计了中国建造望远镜的能力。她负责建造了LAMOST，如上所说， 这台望远镜并不是很成功的望远镜， 但媒体的夸大宣传，使她自认为她是国际上的大权威， 这可从她多次在公开场合自己说自己是大权威为证。实际上中国在建造望远镜上与国际的差距是非常大，美国人在70 年前就造出性能非常好的5 米望远镜（至今还有许多重要科学产出），而我们到现在建造的最大通用型望远镜是2.16 米，在大望远镜建造上许多重大技术突破都是国际上的，如主动光学， 薄镜面， 拼接技术， 自适应光学，这些都是现代巨型望远镜革命性飞跃的核心技术。

另一方面原因是苏定强和崔向群一直希望通过在12 米望远镜的建造为自己树碑立传，这是个人原因。所以坚持要标新立异。

7. 在科学路线上，苏定强和崔向群错误地对国际天文发展的判断。

他们两人是搞技术的，不是搞天体物理，他们武断地认为国际上30米级望远镜建成后，12 米望远镜的地位就下降， 所以要建主焦点大视场照相机，做光度和光谱巡天。这个分析是错误的。中国已不需要用12 米望远镜做大视场光度巡天， 因为国家已立项，在2022 年左右发射空间站，其中最重要的载荷就是2 米巡天望远镜， 在光度巡天方面，一台2 米空间望远镜要远超过12 米的地面望远镜，（因为空间望远镜的像质是0.15 角妙，而12 米地面望远镜的像质是1 角秒，来自天光背景的噪声差40 倍，再加上地面天光背景比空间亮至少1 个星等，合在一起噪声要高过5 个星等，像质更没法比）。

在多目标光谱方面， 正在起动的在夏威夷优质台址上建造10 米口径专用光谱巡天望远镜， 我国12 米望远镜主焦点根本没有竞争力， 更何况，巨额花费，10 年工期， 以及使用上带来的许多复杂问题（见后面）。

8. 我们和崔向群的另一个重大分歧是大科学工程谁来导向 ？是技术导向还是科学需求导向 ? 我们一直坚持大科学工程要以科学需求为导向，技术要服从科学，不是技术人员说要造什么样的望远镜就造什么样的望远镜， 为此，天文大科学中心从一开始就成立科学委员会和科学小组，邀请国内100 多位在一线工作的中国天文界精英讨论、制定12 米望远镜的科学定位。

但崔向群等人是要科学服从技术，由技术来为科学定位，典型如要搞主焦点大视场巡天，再如，科学上我们认为3-镜系统更能满足科学需求，光效率高，使用又方便， 但崔向群从技术上要标新立异，坚持要搞光效率低，使用又不方便的4-镜系统。 我们坚决反对12 米望远镜由技术人员来定位科学和技术凌驾一切的路线。

9. 错误的技术路线和错误的科学路线导致苏定强、崔向群错误的望远镜方案。他们的主要错误有三点：

一， 把望远镜设计的非常复杂，望远镜安排4 个焦点： 主焦点，莱焦， 卡焦和折轴焦点，面面具到，不是有所为有所不为。 这样势必增加技术复杂性，增加风险，增加经费，增加工期，而对主要科学目标和技术性能并没有带来好处。

二，把主焦点大视场作为望远镜的亮点。

错误地认为30 米望远镜建成之后， 12 米望远镜没有地位， 因此要把主焦点大视场作为望远镜亮点。 我在前面已说过，主焦点大视场并不能给12 米望远镜带来科学上的竞争力，而主焦点大视场照相机是技术上非常复杂， 耗钱耗时的工程，根据日本8 米望远镜主焦点项目负责人的估计，中国12 米望远镜的主焦点照相机需要耗时10年，耗资5 亿美元，而且照相机加上多光纤定位系统是一个庞大系统，更换焦点工作非常困难， 这对多功能望远镜要经常更换焦点工作会带来操作上的巨大困难。

尽管崔向群也表示主焦点照相机不作为第一期工程，但望远镜设计保留主焦点发展的可能性。这就要求望远镜的主镜焦比f/数要大过f/1.6， 比不留主焦点f/1.2 的镜筒长很多， 镜筒长， 就增加圆顶的尺寸，大大增加圆顶造价。

三. 采用4-镜系统。

4-镜系统最大优点是在莱焦上20 角分视场可以获得好设计像质，这对于没有大气影响的空间望远镜是绝对必要， 但在地面观测受大气抖动影响，星像是由地面seeing 决定， 无论3-镜还是4-镜得到的像质都一样，因此没有好处， 而其缺点是显著的， 增加一面镜子就要增加反射损失， 更重要的是4-镜系统里最后一面反射镜（M4）中央要开洞，会进一步损失光， 而且视场越大洞就开的大， 损失光就越多，因此为了少损失光，要多做几个M4， 以便观测不同视场用不同大小的洞的M4, 这增加费用，还增加观测上的不方便， 另外开洞的M4 会产生衍射，这种衍射在使用exAO (一种使光轴上的星像达到光学衍射极限的观测）就会严重影响光轴附近高空间分辨、高亮度对比的观测，如对系外行星直接成像观测，而这是12 米望远镜极其重要的科学目标。

此外， 由于增加一面镜子，还带来许多其他的不利， 如增加镜筒长度， 从而增加圆顶造价， 占据了传统卡焦位置，从而牺牲了配置效率最高的科学仪器的可能等等。

10. 在同国际专家合作方面的分歧。

我们认为（如前所说），由于建造12 米望远镜是一项极其艰难的工程， 而我们又缺乏经验，我们必须采取开放的态度，与国际同行专家讨论， 认真听取他们的建议，因此需要组织国际专家顾问小组，事实证明这些专家对我们的帮助是真诚的， 但崔向群认为这些专家是别有用心， 用她的话“他们不搞4-镜系统， 也不让我们搞， 生怕我们超过他们”， 对于请国外专家更被崔认为是“卖国行为”，是“洋奴”， 在改革开放的今天，还居然有这样的排外思想！

坦率地说，中国天文界，包括整个科技界没有人真正了解像12米口径这样大望远镜的技术，包括我自己，虽然做过观测，但10 米级望远镜也没碰过， 我虽然大体上对望远镜还能说一些话， 但望远镜的具体技术我也是不懂。 在中国开国内望远镜专家评审会是一个笑话！只能是形式，走过场。

11. 采用什么样的光学系统本来是一个学术问题， 完全可以通过学术讨论来解决， 但崔对不赞成她的方案的人，扣帽子，把学术问题变成政治问题，到处告状， 并离开大科学中心的领导自己组织一些外行，片面宣传4-镜系统，进行投票，造成多数支持的假像，向科学院施加压力。

12. 关于指责华中科技大学没有资质资格，马冬林资历浅问题。

发改委大科学工程立项程序规定，进入后选的项目必须有300 字的介绍，发给全国招标，并没有要求应标单位资质，工业生产有资质问题， 科学研究要什么资质？当年爱因斯坦提出相对论时不过是计

量局的小职员， 何况，华中科技大是一所实力非常雄厚的大学。 马冬林没有资历说，当年崔向群从德国回国时，还没拿到博士学位，就被委以LAMOST总工程师重任，要说资历还不如现在马冬林的资历，何况马冬林只不过提光学设计方案， 又没有做总工程师。用人不拘一格。有大学介入不是一件很好的事吗？不是有利于科学院强调的院校合作吗？

13. 我们一直希望南京天光所能够在12 米建造方面起重要作用，希望他们能根据科学需求提出3-镜方案供选择， 但他们一直坚持不提3-镜方案，7.10 评审会院条财局本来要求南京天光所朱永田在会上分别提3-镜与4-镜方案， 结果还是没提，报告变成崔向群和梁明的一边倒报告。

中科院院士、天体物理学家陈建生

这就是我们和崔向群分歧的本质。

结论：

谁会愿意选择光效率低、操作不便，造价高、技术成熟度低、风险高的4-镜系统，而不选择光效率高，操作简便，造价低，技术成熟度高、风险低的3-镜系统呢 ？

难道就是为了要标新立异吗？

下面我想就科学院处理这件事情的做法谈点看法。

14. 科学院召开的7 月10 日的评审会是严重错误。

科学院主持召开的7.10 会， 完全撇开国家天文台大科学中心，让大科学中心靠边站的做法是完全错误的。大科学中心是目前我们国家唯一有可能把这个项目做好的机构，12 米望远镜工程难度之大，必须团结国内所有力量才可能完成的。同时还要争取国际友人专家的帮助，只有国家天文台大科学中心才有这样的能力。让大科学中心靠边站，严重损害了大科学中心的威信，使天文大科学中心瘫痪，以后再没有办法领导天文大科学工程的建设， 这不仅影响了12 米望远镜，其他项目也可以同样效法，只要不满意，就可以告状， 告状后， 天文大科学中心就靠边站， 起了非常坏的先例。大科学中心是科学院重大分类管理改革的产物，科学院在成立时已经对大科学中心有明确定位，自己做的事，这么快就自己否定他，这岂不影响科学院的声誉，岂不朝令夕改吗？

15. 7 月10 日的会完全是一个不公正， 不公平的会。

会议要讨论3-镜与4-镜系统， 但安排发言的崔向群和梁明全是4-镜系统的主要作者， 没有一个主张3-镜系统的人辩护，这哪里有最起码的公正？

会议请了21 位“专家”评委，我看了名单，简直是笑话， 这里哪位可以称的起是望远镜专家？ 有些人一辈子连望远镜都没碰过，居然可以做望远镜评审专家！ 随便举几个： 上海天文台的袁峰，南京大学的戴志高，云南大学的张力是纯粹的理论家，一辈子都没有摸过望远镜。其他的也是没有碰过大望远镜。在这样一批外行面前，又进行了一边倒的“介绍”，这样的选票能作为依据吗？有几分权威性呢？

大科学中心组织的国际大望远镜专家是全世界顶尖的10 米级望远镜的专家所作的极其认真的评审（说认真，评审组组长提前一个月到中国，实地考察，个别听取双方意见，认真阅读所有文件，进行2 天的答辩，又关门讨论）和7 月10 日的评审是多大的反差？ 一群外行，听取片面介绍，（大概连听都没听懂），这二个评审能等权对待吗？

16. 科学院必须尽快恢复天文大科学中心的权威性。

天文大科学中心是唯一有能力领导这个项目。因此必须尽快恢复大科学中心的威信。大科学中心在过去一年多的时间里作了大量公正， 公平， 开放， 民主的工作，所有工作都严格按程序办，对推动12 米望远镜做了巨大贡献。

天文大科学中心在领导过程中，可能难免也有处理不当之处。即使你们听到某些“有分量的人” 的批评，也应当深入调查，认真与天文大科学中心领导沟通，不能偏听偏信，更不该像目前这样做法，一脚踢开，让天文大科学中心靠边站。

我在6 月2 日给白春礼院长，王恩哥副院长写了一封信，表达了我对这件事的关切，信中我希望院领导要旗帜鲜明地表达立场。 王院长回信说会全面听取各方意见，没想到“全面听取各方意见”竟然就是7.10 会！7.10 会的召开使整个事件处于极其尴尬的状态，骑虎难下，相信院领导有足够智慧解决这个难题。

最后我想强调，12 米望远镜项目的成败不仅关系到中国天文的未来，也关系到中国科学院的声誉，乃至整个中国科技界的声誉。

（完）

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