财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 中国天文界公开争论:“世界最大”光学望远镜该怎么建?

中国天文界公开争论:“世界最大”光学望远镜该怎么建?

 
编者按:
 
公共事件无私议。然而,中国科学界公共议事空间发展并不充分。表现在一些信息、甚至是争议,局限在一个很小的圈子里流传,直至最终决策出来了,很多科学的同行可能才从小道消息,或者窃窃私语中了解一鳞半爪。而公众,更加不知道决策的过程,自然也无从谈起对科学的支持,对科学家的支持。这是需要改进的中国科学文化的一部分。
 
有希望获得国家财政支持的12米光学望远镜究竟应该怎么建,天文学界有两种不同的技术方案,而且在内部持续争论有日,直到上周五,一封信件在天文学界的微信群里传开,将这一内部争论大白于天下。
 
《知识分子》尽可能地联系争议的双方,希望如实报道这一影响中国天文学界未来数十年研究的科学决策,以及其中的种种曲折,是非自当公论。我们将不偏不倚,刊登来自两个方面的不同意见。来稿请联系zizaifenxiang@163.com。
 
撰文|邸利会
责编|李晓明
 
8月4日,一份4000多字的长信引爆了中国天文圈。
 
这封信的作者是中国科学院院士陈建生。信的开头直入正题:这是回应“院条财局”(指中国科学院条件保障与财务局)的要求——“沟通关于12米望远镜”而准备的“一份书面意见”。“沟通”的实质是条分缕析地说明他和另一位中科院院士崔向群围绕“12米望远镜”各个方面的分歧。
 
当然,这绝不是什么个人恩怨。实际上,中国天文学界对于如何建造“12米望远镜”一事,分歧早已存在。陈建生和崔向群只不过是各自阵营的代表人物。他们的背后都有强力的支持者。
 
《知识分子》当天也获得了该信,并第一时间向陈建生求证,他回信确认是“亲笔”。
 
一位不愿意透露姓名的天文学家向《知识分子》表示,这封信“非常重要,后来被转发给几乎整个天文学界”,此事“在各个层面都闹得特别厉害,情况很严重,甚至暴露出我国体制的许多问题”。
 
圈内“每人一份”,如此“决绝”的方式将长久以来的早已不是秘密的分歧彻底“公开化”。一场学术意见的不同如何一步步演化为中国天文界的“公共事件”?“12米望远镜”的决策,究竟发生了什么?
 
01 “半路杀出”的三镜方案
 
故事可以回溯到2015年。这一年,中国科学院批准建立由多家单位共同建设的天文大科学中心,希望能凝聚力量,解决一些影响中国天文研究的大问题。其中的一个问题是,中国迄今为止并没有10米以上的大型光学红外望远镜。许多国内的研究者不得不借用国外的望远镜时间,这带来了诸多不便。
 
《知识分子》了解到,彼时,有几个方案可供选择。其中一个方案是,中国参与建设在夏威夷的30米望远镜(Thirty Meter Telescope, TMT)国际合作建设项目。虽然经过评审被认为是优先选择,但是中国在海外投资参与建设大科学工程的方案在决策上可能存在不确定因素,于是,另外一个选择——中国自建一个12米望远镜的方案,逐渐成为中心议题。
 
2016年,国家发改委明确将“大型光学红外望远镜”列为“十三五”时期10个优先支持建设的项目,预计经费投入20亿元左右。天文大科学中心遂积极组织开展该项目的前期工作。据《科学》(Science)杂志之前的报道称,为了保证建设经费落实,该计划必须在2018年年底获得批准。
 
中国天文学界的一个美好愿景有望获得国家的支持。
 
此前,中国天文学界建造的最大的通用型光学望远镜是2.16米望远镜。而建造最大的专用望远镜LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,又叫郭守敬望远镜),据陈建生讲,“也不是非常成功的,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”。而中国自建10米级光学望远镜,将有望跻身当前国际在役光学天文望远镜的主流行列,而且在几十年内影响中国天文学界的研究。
 
 
最初,南京天光所提出了一个四镜系统的光学设计方案。不过,相对于四镜,国际上已建成的超过10台10米级的望远镜,采用的均是三镜系统且已运行多年。
 
由于“四镜”方案属于首例,由国家天文台副台长薛随建带领的访问团决定赴美,拜访在望远镜设计方面的国际顶尖专家,听一听他们怎么说。正是在这个时间,华中科技大学的光学专家马冬林也接触到了南京天光所的四镜方案。
 
围绕技术路线和方案选型的争议就此开启。
 
在提交给访问团的报告中,马冬林提出“第四镜所存在的中心孔对望远镜性能存在着至关重要的影响,而且在目前四镜系统设计下,无法满足发改委针对‘大型光学红外望远镜’项目所颁布的望远镜建设规划要求”。
 
无独有偶。薛随建从几位国际专家口中了解到的咨询意见与马冬林的评估相似:“三镜系统在工程上已经被证明可行,并且科学上表现更加优秀”。
 
这些一致性的意见引起了陈建生的注意。他要求马冬林进一步提交关于四镜系统性能评估报告。在该报告中,进一步发现“四镜系统在造价上至少高于传统三镜系统30%以上”,“却在光学性能与科学性能上难以匹敌传统的三镜系统”。
 
作为天体物理学家的陈建生意识到,对于12米望远镜这样的大科学工程来说,满足天文学家的科研需求应该是第一位的,而不应该刻意追求技术的“新奇”。这样,选择相对成熟的技术方案就成了顺利成章的事。这从信中他批驳提出四镜系统的两位“搞技术”的院士(苏定强、崔向群)的话也能看得出:“天文学家不要用主焦点搞巡天,他们就要把主焦点作为望远镜的亮点;天文学家不要折轴焦点,他们就偏要折轴焦点,只是为了维护他们几十年前的‘SYZ’系统;天文学家最需要光效率高,能够探测暗天体,他们就要搞光效率低,损失光多的4-镜系统......”。
 
2016年12月,在天文大科学研究中心主任、国家天文台台长严俊主持下,大型光学红外望远镜前期工作组决定邀请国内外8家单位,针对12米大型望远镜的光学概念设计方案进行设计。最终,只有两家受邀单位,华中科技大学和南京天光所提交了设计方案。
 
2017年4月10日,华中科技大学提交了三镜系统的设计报告。该报告也融合了美国凯克望远镜设计人Jerry Nelson,美国哈勃望远镜改正镜设计者Sandra Faber,以及加州大学圣克鲁兹分校自适应光学实验室主任Donald Gavel等人的意见。
 
02 国际专家咨询,“三镜”胜出
 
究竟应该选择三镜系统还是四镜系统?天文大科学中心决定让国际专家组提供咨询意见。
 
这个由哥本哈根大学的天文学家Johannes Andersen领导的9人专家组,2017年4月19日、20日在北京开了两天的会议。在随后的5月1日提交给天文大科学中心的咨询评议报告中,国际专家组认为“总而言之,在满足国家与望远镜科学委员会提出的望远镜所能观测的极限星等,视场范围,操作灵活性和造价等方面的指标上,(南京天光所提出)四镜的SYZ系统均不如(华中科技大学提出)RC或AG标准三镜系统。因此,SYZ系统将不予进一步考虑”。
 
5月19号,天文大科学中心开会决定,尊重并同意国际专家组的咨询建议,要求大型光学红外望远镜前期工作组在光学系统方面,把后续工作集中在三镜系统上,尽快以此为基础开展望远镜整体方案设计。
 
在《科学》杂志的报道中,国家天文台副台长薛随建说,我想辩论已经结束了。
 
03 重开国内评审,“四镜”反转
 
不过,事情没有这么简单就结束。
 
7月10日,中科院内部重新组织均由国内专家组成的评审会,最终推荐四镜系统方案为12米望远镜项目建设的参考方案。在21人的投票中,11票支持四镜系统,3票支持三镜系统,7票弃权。在不到两个月的时间内,剧情来了个大反转。
 
为何在大科学中心已经做出决定的情况下,中科院要另外组织评审会?
 
可以看到的是,崔向群对于天文大科学中心邀请国际专家咨询的做法早有不满。早在北京的国际专家咨询会议召开一个月前,在给中科院领导的一份材料中,崔认为,“去年通过国家十三五大科学装置遴选的’中国12米大型光学红外望远镜’项目在技术方案上也充分体现了中国创新和特色,代表国际大望远镜发展方向,提供了国外30米望远镜后我国天文学仍然在国际前沿可占高地的能力”。她进一步说,“但进入立项阶段后,这个项目就被国家天文台某些崇洋媚外的人控制,排斥我们这支在国际上一流的国家专家团队,阻扰自主创新,想尽办法将这个项目变成美国30年前望远镜的复制品或美国TMT的中间试验。最近不顾大家反对,部署美国来设计。”在后半段,崔向群请求“为了维护国家利益,恳请您尽快制止国家天文台某些人这种卖国求荣,阻碍中国走自主创新道路的行为”;“为了保证项目立项成功,恳请您撤换那些卖国,崇洋媚外的人,尽快成立由真正的专家组成的团结,精干,高效的项目组织结构(像当年LAMOST和FAST一样),负责12米望远镜项目,保证12米望远镜能按规定在2018年底前顺利通过国家立项,按时开工建设”。
 
而在陈建生的信中,他也提到在“同国际专家合作方面”双方的分歧:“由于建设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”。
 
对于陈建生信中提及的崔向群“把学术问题变成政治问题,到处告状”的描述,《知识分子》暂时无法核实。陈建生在信中还提到,“即使你们(编者注:指中科院)听到某些’有分量的人’的批评,也应该深入调查”。
 
不过,可以肯定的是,中科院的确在7月3日发出通知给国家天文台,文中称“为更好推进该项目立项,经院研究,兹定于2017年7月10日召开大型光学红外望远镜科学目标和技术方案论证会,会期一天”。
 
04 一场“奇怪”的评审
 
7月10日早9点,中国科技会堂B205会议室,这场评审开始,接受邀请的21位国内评委将再次决定12米望远镜的设计方案的走向。
 
为了还原会场,厘清关键事实,《知识分子》联系所有21位评审人确认。到截稿时为止,只收到了一位评审人的回复,来自上海天文台副台长侯金良。现将回复的邮件关于评审会的问答引用如下:
 
Q:最初是如何接受邀请的?您在评审会中做了哪些工作?是否担任了评审人?您认为是否和您的研究相关,适合担任评审人?
 
A:我对LOT(大型光学红外望远镜)一直十分关注,前期工作组中也是台址组的成员。也参与了科学目标讨论。我们课题组也需要使用大望远镜观测。所以当接到这个评审邀请的时候,考虑到评审会上将会有2个方案的具体介绍和讨论,所以决定参加。我和我的课题组参加了SDSS,LAMOST巡天方面的工作,也申请到过国际上4米级望远镜的观测时间。我们的研究是与LOT相关的,我们课题组对LOT也有不少讨论,前期也对LOT的各种光学系统方案有所了解。我想我能够做出独立的判断。
 
Q: 3-镜方案在会上是否得到了认真讨论,还是被排除在外?对于7月10日整个的评审过程,您有何评价?
 
A:会上比较遗憾的是,上午的科学目标讨论没有首席科学家的参与,没有听到具体科学目标的介绍。虽然作为通用望远镜,LOT的科学目标是十分清楚的,但是作为会议议题之一,没有落实,是比较遗憾的。另外,会议上也没有华中科技大学3-镜方案建议者来报告和介绍,评委无法全面了解3-镜方案的具体特点和性能。这个在程序上是不公正的。我们作为评委不知道为什么会议日程上明明写的是3-镜系统和4-镜系统方案的介绍,而实际上只有4镜系统介绍。
 
因此,我作为评委对7月10日的评审过程程序是有疑问的,我也在评审意见报告中如实写下了我的意见。在会场上我无法对两个方案哪个好,哪个不好作出评价,因为没有听到另一个方案的介绍。所以我弃权。
 
陈建生在信中的后半部分,对于这场评审会也指出了多处不合理,直言是一个“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?”他在信中写道。
 
他还进一步对评委是否有资格担任评委提出质疑:“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!!”。
 
他还对比了前后两次的评审,认为在职业水准上有很大差距。
 
他写道:“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?”
 
在信件的末尾,陈建生写道:“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。”
 
《知识分子》向处在争论中另一方的核心当事人,在南京大学天文系(曾任职于南京天文光学技术研究所)的苏定强院士和南京天文光学技术研究所的崔向群院士发了邮件,征询他们对12米望远镜的建造争议的观点,但截稿时仍未收到回复。
 
而陈建生撰写的这份类似于写给中国天文学界的“公开信”依然在圈内流传。
 
据马冬林提供给《知识分子》的叙述事件原委的材料显示,之前国家天文台提交的三镜方案已经被搁置一边,并未上交国家发改委。
 
附件一:
 
我和崔向群院士的分歧:技术的讨论
 
作者:陈建生(中国科学院院士)
 
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。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。
 
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,是人类有史以来从未做过的工程,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!
 
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,这些3-镜系统的10米级望远镜已取得大量重大发现,对人类探索宇宙做出了重要贡献!这充分说明3-镜系统是成功的系统,是经过实践检验的系统,这些3-镜系统最长已运转20多年,积累了大量的建造和运转的经验,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。只要能成功建造它,就已经是奇迹。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!
 
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,不惜冒极大风险在5000米高山上,采用未经任何实践检验的系统,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’。
 
崔向群的错误技术路线有原因。她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技术并不先进的口径2.16米的中小望远镜,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。
 
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角秒,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(见后文)。
 
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?
 
4-镜系统完全是二位搞技术的院士,从技术角度提出来的所谓“创新”的望远镜,他们自己给望远镜科学定位,自己定方案,自己定设计,然后强加给天文学家。完全是技术绑架科学!
 
例如:天文学家不要用主焦点搞巡天,他们就要把主焦点作为望远镜的亮点;天文学家不要折轴焦点,他们就偏要折轴焦点,只是为了维护他们几十年前的“SYZ”系统;天文学家最需要光效率高,能够探测暗天体,他们就要搞光效率低,损失光多的4-镜系统;天文学家要用自适应光学,在光轴附近观测衍射极限的系外行星像,他们就要搞中间带开洞的反射镜,所产生的衍射环阻碍行星的成像观测;天文学家要光效率最高的2-镜的卡焦焦点,他们偏要把最佳的卡焦焦点占据;天文学家最希望观测操作尽可能简单,不要经常更换系统,他们偏要观测时经常更换M4反射镜......。
 
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。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。
 
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。
 
此外,我们在同国际专家合作方面也有分歧。
 
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。   
 
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只能是形式,走过场。 
 
关于指责华中科技大学没有资质资格,马冬林资历浅问题,我也有不同看法。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。 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?
 
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。
 
所以,我的结论是: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?谁会不愿意选择光效率高,操作简便,造价低,技术成熟度高、风险低的3-镜系统呢?难道这就是为了要标新立异吗?
 
附文二:
 
马冬林:“三镜系统”与“四镜系统”的论证过程与可能后果
 
作者:马冬林(华中科技大学)
 
2016 年国家发改委发布的《关于“国家重大科技基础设施 建设‘十三五’规划”》(发改高技[2016]2736)的有关部署,明确将“大型光学红外望远镜”列为“十三五”时期 10 个优先支持建设的项目之一,预计经费投入 20 亿元左右。
 
中国科学院于 2016 年在国家天文台成立了大科学中心,负责全面统筹这一重大基础设施项目的筹备、管理和建设。而到目前阶段,该项目的建设仍处于光学概念方案设计阶段。
 
关于这一重大科技基础设施的设计方案,目前在国内外存在重大技术路线和方案选型争议。主要的焦点在于该望远镜有 2 种不同设计方案:
 
其中,一种方案是以南京天光所苏定强和崔向群为代表的由四面反射镜组成的系统(简称“四镜系统”);
 
另一种方案是华中科技大学提出的、并已经被国际大型望远镜系统所广为采用的光学系统,该系统由三面反射镜面组成(简称“三镜系统”)。
 
秉持科学论证和求真务实的立场,现将目前存在的方案论证过程,以及由此可能产生的严重后果,介绍如下,以供有识者参考。
 
一、概念设计方案论证过程
 
2016 年 9 月,受国家天文台大科学中心的委托,南京天光所向国家天文台提供了一个四镜系统的光学设计作为国家十三五规划的“大型光学红外望远镜”项目的优选设计方案。
 
2016 年 10 月,由于天光所所推荐的优选方案——四镜系统从未经过实践检验,国家天文台薛随建副台长、北京大学科维里天文物理所所长 Luis Ho(何子山)和上海天文台研究员郝蕾等三人组成访问团赴美访问加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)、亚利桑那大学等地,就该方案的可行性咨询望远镜设计最有经验的国际顶尖专家。
 
2016 年 10 月,在薛随建等访美的第一站 UCSC,蔡峥博士负责接待了薛随建等一行。访问团向蔡博士介绍目前中国 LOT 望远镜的优选方案为四镜系统。蔡博士就这一方案的可行性咨询了华中科技大学光学专家马冬林博士。马冬林博士对四镜方案提出一些质疑意见,并在访问团访美期间准备一份四镜系统光学性能和科学性能的评估报告,提交给了访问团。在该报告中,马博士提出第四镜所存在的中心孔对望远镜性能存在着至关重要的影响,而且在目前四镜系统设计下,无法满足发改委针对“大型光学红外望远镜”项目所颁布的望远镜建设指南要求。
 
2016 年 10 月,访问团就中国所优选的四镜方案的可行性咨询了全美最顶级的几位望远镜专家,如刚刚故去的地面最大望远镜之一凯克望远镜第一设计人 Jerry Nelson,以及亚利桑那大学地面最大望远镜之一的大双筒望远镜(LBT)设计人 Roger Angel,和凯克望远镜第二设计人 Harland Epps。Jerry Nelson 是 国际著名大型望远镜10m级 Keck 望远镜和在建的 30m 级 TMT 望远镜的主要设计者。三位权威专家均对四镜系统的可行性表达了忧虑,并直接指出了一系列工程问题。与马博士等评估相似,评估报告一致认定三镜系统在工程上已经被证明可行,并 且科学上表现更加优秀。
 
2016 年 11 月,访问团的访问咨询结果和马博士的评估报告引起了陈建生院士的重视。在陈建生院士的倡议下,马博士团队进一步量化分析了四镜系统的光学性能,并向国家天文台大科学中心提交了第二份四镜系统性能评估报告。该报告进一步论证了四镜系统的光学性能,且进一步发现四镜系统在造价上至少高于传统三镜系统 30%以上的前提下,却在光学性能与科学性能上难以匹敌传统的三镜系统(相关结果在所附的设计报告中作出了非常详细的比较和说明)。该报告的结论得到了国家天文台陈建生院士的高度认可。
 
2016 年 12 月,在严俊台长的主持下,大型光学红外望远镜前期工作组决定针对 LOT 的光学概念设计方案进行设计。拟邀请的单位包括美国 UCSC 大学、长春光机所、天光所、成都光电所、华中科技大学等五家单位。2016 年 12 月 16 日,华中科技大学收到中国科学院国家天文台天文大科学中心发来的“大型光学红外望远镜”概念设计邀请函。
 
2016 年 12 月 26 日,华中科技大学同意参加“大型光学红外望远镜”的概念设计。最终,正式接受概念设计邀请的单位只有华中科技大学和南京天光所。而美国 UCSC 大学所提设计方案与华中科技大学类似,因此放弃参与竞标;但是相关望远镜和天文专家如美国科学院院士和美国最大的凯克望远镜设计 人 Jerry Nelson、美国科学院院士和哈勃望远镜改正镜设计者 Sandra Faber、UCSC 自适应光学实验室主任 Donald Gavel 以及天文学专家哈勃学者蔡峥博士以咨询顾问的形式加入华中科技大学的望远镜概念设计团队,同时也为华中科技大学的设计报告提供一份咨询建议报告。
 
2017 年 1 月,华中科技大学在光电学院院长张新亮和马冬林博士的推动下,光电学院、机械学院、光电国家实验室和物理学院等 4 个院系的 13 人组成了联合工作组,针对 LOT 望远 镜的概念设计方案开展了前期设计工作。
 
2017 年 3 月 26 日,华中科技大学骆清铭副校长及科发院、 光电学院领导组团,赴国家天文台拜访了国家天文台领导和陈建生院士,表达了在参与概念设计的基础上希望加入该望远镜 的建设项目,并发挥积极作用的强烈意愿,得到了国台领导和 陈院士的一致认可。
 
2017 年 3 月 31 日,针对 LOT 望远镜的概念设计方案,美国 UCSC 大学的望远镜团队为华中科技大学提供了一份设计咨询和建议报告,并作为华中科技大学设计报告的一部分。华中科大方案充分整合了原有设计和加州大学设计,充分论证了方案的工程可行性,并且与四镜系统进行了更加细致的比较。
 
2017 年 4 月 10 日,华中科技大学向中科院天文大科学中心提交了“大型光学红外望远镜(LOT)光学系统概念设计与分析报告”。
 
二、 国际咨询专家小组的评标结论
 
2017 年 4 月 19 日,中科院天文大科学中心(国家天文台) 在北京组织了“大型光学红外望远镜”项目概念设计方案国际评估答辩会。来自英国、日本、丹麦、加拿大、澳大利亚、美国等国的 9 名国际顶级天文和光学专家组成的咨询小组,对南京天光所、华中科技大学分别提交的概念设计方案进行了评估论证。所邀请的咨询专家均为国际上具有丰富的望远镜设计和建设经验的知名光学专家和天文科学家。
 
2017 年 5 月 1 日,咨询小组向中科院天文大科学中心(国家天文台)提交了关于 LOT 望远镜概念方案的咨询评议报告。 该报告的第一个结论就是:
 
“In summary, the four-mirror ‘SYZ’ optical system cannot compete with standard RC or AG solutions in meeting the government and SAC demands on limiting magnitude, field of view,operational flexibility,and total budget. (译文:总而言之,在满足国家与望远镜科学委员会提出的望远镜所能观测的极限星等、视场范围、操作灵活性和造价等方面的指标上, 南京天光所提出的四镜系统(SYZ 系统)均不如华中科技大学提出的 RC 或 AG 标准三镜系统。)”。
 
华中科技大学的设计报告得到了国际咨询专家的一致认可、好评。
 
2017 年 5 月 19 日,中科院国家天文台领导、大型光学红外望远镜重大科技基础设董事会讨论了南京天光所和华中科技大学分别提出的两套光学概念设计方案以及国际咨询小组提交的咨询评议报告。会议决定,将华中科技大学提交的三镜系统设计方案列为“大型光学红外望远镜”的建设建议方案,拟通过中科院提交发改委正式立项,并争取启动建设。
 
2017 年 6 月 30 日,国家天文台在参考华中科技大学三镜系统设计方案的基础上,撰写了“国家重大科技基础设施建设项目—大型光学红外望远镜项目建议书”,并提交给中科院,拟通过中科院上交国家发改委。
 
三、 南京天光所提出的二次评审建议
 
2017 年 5 月底,天光所两位院士游说中科院领导,意图单方面在内部针对两种方案进行重新评估。
 
2017 年 7 月 6 日,华中科技大学马冬林博士与陈建生院士进行了电话沟通,得知国家天文台提交的建议书被中科院束之高阁,并未被上交国家发改委。
 
2017 年 7 月 10 日,迫于南京天光所崔向群院士和苏定强院士的压力,中科院在内部重新组织评审小组针对 LOT 望远镜概念设计方案进行了新一轮评估。在此轮评估中,由南京天光所朱永田所长负责出面介绍四镜系统,梁明老师(四镜系统的核心设计人之一)负责介绍三镜系统方案,将华中科技大学的三镜系统设计方案屏蔽在外,不予参评资格。所邀请的评审专家大都没有实际的望远镜设计和建设经验。据了解,最终的评审结果是 11 票支持、3 票反对、7 票弃权,推荐四镜方案为 LOT 项目建设的参考方案。
 
四、值得引起重视的有关问题
 
(一) 技术可行性和成本问题概括地说,四镜方案主要存在如下几个技术风险: 
 
1、四镜系统由于多了一面反射镜, 增加了反射的损失,加上有一面镜(第四镜)中央要开洞,又增加了进一步的光损失,而且洞的大小要随视场大小变, 视场大, 开大洞,因此 比三镜系统要多损失大约 30%的光, 这相当望远镜口径从 12 米减小到 9 米。
 
2、由于第三镜在主镜的下方伸出一节, 使望远镜的高度轴升高,镜筒变长,望远镜圆顶加大, 增加了圆顶造价。
 
3、从三镜变四镜,增加了望远镜光学系统准直调节的难度,尤其在 5000 米的高山上进行高精度的调试。
 
4、由于主镜下方第三镜的存在, 使望远镜损失了效率最高、对称性最好的卡氏焦点。
 
5、对不同视场天文观测,要更换不同洞大小的第四镜,这对于要观测突发的重大天文对象很不利, 在5000 米高山上在夜间进行这样操作是有风险的;如果要做成全自动, 势必增加望远镜成本。
 
6、四镜系统的建设成本要明显高于三镜系统,其光学性能和科学性能反而不如传统的三镜系统。
 
(二)国内相关院士和国际专家提出的重要建议
 
2017 年 6 月 2 日,陈建生院士向中科院白春礼院长和王恩哥副院长介绍了十三五规划的大型光学红外望远镜光学系统两种设计方案的争论,并表达了坚定支持标准三镜系统的鲜明立场。
 
2017 年 6 月 16 日,美国著名科技杂志 Science 记者 Dennis Normile 撰文报导了中国关于十三五规划的大型光学红外望远镜的概念设计方案的争议情况,并进一步向外披露了国际咨询小组的结论。文章中进一步提到“The panel report concludes that the NIAOT optical system “cannot compete” with more standard designs like the HUST approach”(译文:国际咨询专家小组的结论是南京天光所的设计方案不如华科提出的更为传 统的设计方案),同时 Science 文章也进一步指出“With the panel’s recommendation in hand, the megascience center board decided on 19 May to proceed with the HUST design” (译文:按照国际咨询专家小组的建议,国家天文台大科学中心于 5 月 19 日决定参考华中科技大学的设计方案推动 LOT 建设项目)。
 
正如陈院士写给白春礼院长的邮件中所指出的,光学系统是整个望远镜最核心的关键系统,而光学系统设计方案的选择, 是决定整个项目成败的关键所在。LOT 项目概念设计方案国际咨询专家组组长 Johannes Andersen 在写给美国 Science 记者 Dennis Normile 的邮件里提到,中科院的错误决策和领导对 LOT 项目以及中国天文学界将造成不可弥补的伤害。针对中科院的二次评审决议,Johannes 的邮件里说道:
 
“Otherwise, I fear that Chinese astronomy is heading into a disaster that will take decades to repair. Science – and the best Chinese scientists – will not wait for the CAS to catch up. (译文:否则,我担心中国天文学正在陷入一个需要几十年才能够修复的灾难。科学发展以及那些中国最好的科学家们等不及中国科学院弥补他们所犯的错误。)”
 
本文原名《关于“国家重大科技基础设施建设‘十三五’规划”“大型光学红外望远镜”项目光学设计方案选型有关情况的介绍》,标题为编者所加。
 
参考资料:
Dennis NormileJun. Spat threatens China’s plans to build world’s largest telescope. Science. 14, 2017.
推荐 0