【文章內(nèi)容簡介】 0－50000，使得通過多普勒視向速度探測的范圍增加30倍左右。加上 TMT的10倍于KECK的集光面積，可以在相當(dāng)短的時間內(nèi)達(dá)到所需要的視向速度精度，使其可以在一年內(nèi)探測到圍繞早期M型矮星的幾十到幾百顆軌道周期在30－100天的行星候選體。利用TMT可開展太陽系近鄰的系統(tǒng)搜索，尤其是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣態(tài)行星的行星系統(tǒng)，看是否存在類地行星，其分布特征是否與太陽系相同，在可居住區(qū)內(nèi)是否存在類地行星。系統(tǒng)的搜索還可以給出不同類型恒星的行星擁有率，與主星物理特性的聯(lián)系，行星質(zhì)量、軌道分布特征等，這些對于研究行星形成、物理與動力學(xué)至關(guān)重要。2）系外行星的直接成像TMT的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)(AO)以及紅外成像分光儀(IRIS)，結(jié)合日冕儀成像技術(shù)和精確天體測量，可以探測離主星較遠(yuǎn)距離（50AU）、與主星相比具有中等對比度（1035）的早期(年齡小于10億年)自發(fā)光的氣態(tài)行星。更靠近恒星的行星需要高對比度的成像技術(shù)。TMT及其行星形成儀（PFI）設(shè)計在低譜分辨率(R～70)下能達(dá)到108的對比度，－.利用TMT的行星成像可對遠(yuǎn)距離軌道上的行星進行系統(tǒng)搜索,從而進行統(tǒng)計研究。通過對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的擬合，可以推斷其形成機制是引力不穩(wěn)定性還是核吸積。通過中等距離軌道上的成像，探索類似太陽系的行星系統(tǒng)。探測更多圍繞褐矮星的行星系統(tǒng)，發(fā)展褐矮星行星系統(tǒng)的形成理論。3）從吸收線探測行星大氣凌星過程中恒星光譜被行星大氣中分子的吸收可以產(chǎn)生吸收線。這些特征可以被TMT及其高分辨率分光計所捕捉。模擬表明3小時的TMT/HROS觀測，可以探測到一個M型星可居住區(qū)內(nèi)類地行星大氣中的氧（生命存在的重要表征）是否存在。1－(近紅外階梯光柵分光儀)系統(tǒng)可以探測到水,、二氧化碳以及甲烷的存在，在類地行星大氣中尋找氧和其他生命特征。4）原恒星盤探測原恒星盤存在時標(biāo)以及氣體粘滯是兩個決定行星形成模式的重要參數(shù)。TMT/MIRES(中紅外階梯光柵分光儀)具有很高的流量敏感度和空間分辨率，可以利用分子（如氫分子）和原子作為示蹤器來觀測限制原恒星盤的演化時標(biāo)。此外，通過紅外能譜（盤中塵埃發(fā)出的紅外超），光學(xué)測光(紫外超)和分光計（沿磁層吸積的線輪廓）等技術(shù)，可以對正在吸積的原恒星盤進行觀測，以探測其在行星形成中盤的空洞的存在，從而對行星形成理論給出限制。MIRES的中紅外分光儀適合探測原行星盤中的有機分子。利用TMT可以系統(tǒng)地探測原恒星的盤消散時標(biāo)，探測原恒星盤內(nèi)部以及盤中間的空洞，并與行星的視向速度法探測相配合。TMT可用于探測原恒星盤中的有機分子，并與太陽系的有機分子進行比較。 基礎(chǔ)宇宙學(xué)在人類歷史的長河中，對宇宙的探索是天文學(xué)研究的主要推動力之一。隨著觀測儀器的發(fā)展與進步，我們對于宇宙的基本認(rèn)知也不斷地深化。近十余年來，天文觀測取得了一些重大的進展，Wilkinson微波背景各向異性探測器(WMAP)，Sloan數(shù)字巡天(SDSS)和超新星巡天等對宇宙學(xué)參數(shù)的精確測量，不僅使宇宙學(xué)的研究步入了“精確級”的輝煌時代，同時也提出了一些重大的挑戰(zhàn)。例如，天文觀測告訴我們由粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型描述的普通物質(zhì)只占宇宙組分的4%，而23%是不與其它物質(zhì)作用（或作用極其微弱），但可通過引力成團的暗物質(zhì)，其余的73%則是既不與其它物質(zhì)作用（或作用極其微弱），又不成團（或只在接近整個可觀測宇宙的尺度上成團），但使得宇宙加速膨脹的暗能量。尋找暗物質(zhì)粒子、研究暗能量的物理本質(zhì)、探索宇宙起源及演化的奧秘，結(jié)合了粒子物理和宇宙學(xué)兩大學(xué)科的研究已成為21世紀(jì)天文學(xué)和物理學(xué)的一個重要趨勢。專家們普遍認(rèn)為暗物質(zhì)、暗能量理論的突破很可能會引發(fā)一場基礎(chǔ)物理的革命。為此，世界各國都在組織力量，積極開展理論研究，策劃（天體）粒子物理實驗和大規(guī)模天文巡天項目，以推動這一重大交叉學(xué)科的發(fā)展。作為21世紀(jì)最重要的下一代地基天文觀測設(shè)備之一的三十米光學(xué)/紅外天文望遠(yuǎn)鏡 (TMT）將具有從光學(xué)到近紅外波段的極其強大的觀測能力，從而在宇宙學(xué)研究的前沿發(fā)揮關(guān)鍵作用。以下，我們闡述TMT在暗物質(zhì)、暗能量和基本物理常數(shù)恒定性方面的應(yīng)用。盡管探測暗物質(zhì)粒子的地下和空間實驗已進行了十幾年，最近也有一些可能成為探測事例的結(jié)果被發(fā)表，但確鑿的暗物質(zhì)粒子探測事例仍在搜尋中。即使暗物質(zhì)粒子在實驗室里被探測到，它的物理屬性仍可以通過天文觀測來限制。例如，暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量和相互作用截面等性質(zhì)決定了暗物質(zhì)在小尺度（小于1Mpc）上漲落的統(tǒng)計性質(zhì)，不同的暗物質(zhì)粒子模型會在這些尺度上產(chǎn)生不同的功率譜，其差別可以達(dá)到幾十倍甚至上百倍。隨著暗物質(zhì)反應(yīng)截面的增加，星系暗暈也會產(chǎn)生中心核結(jié)構(gòu)。TMT將通過多種手段測量小尺度上的物質(zhì)分布：一方面，它可以利用光學(xué)/近紅外高質(zhì)量成像，通過強引力和弱引力透鏡效應(yīng)來測量星系和星系團的暗暈密度分布以及子暈結(jié)構(gòu)；也可以利用積分場單元光譜儀（IFU）或多目標(biāo)光譜儀，通過恒星和星系的速度彌散來測量星系和星系團的暗暈密度分布。另一方面，TMT高分辨率光學(xué)光譜儀可以在很大紅移范圍內(nèi)獲得大量的類星體光譜，通過這些光譜中的Lyα森林（類星體光子在傳播途徑中被中性氫吸收的系列譜線，）間接測量小尺度物質(zhì)功率譜，從而限制暗物質(zhì)粒子的屬性?？偠灾?，TMT提供的觀測數(shù)據(jù)對于任何直接與間接研究暗物質(zhì)粒子性質(zhì)的物理實驗，以及對撞機“生成”暗物質(zhì)粒子的實驗來說都是極大的補充。宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)引出了一個更具挑戰(zhàn)性的的問題:暗能量。與暗物質(zhì)一樣，暗能量也構(gòu)成了宇宙中不可見而又不可或缺的一部分，它被認(rèn)為是基礎(chǔ)物理學(xué)乃至更深層次研究的切入點。而與暗物質(zhì)不同的是，暗能量在星系和星系團的尺度上沒有觀測效果，只能通過更大的尺度上的距離和結(jié)構(gòu)演化的歷史來間接測量。此外，暗能量僅僅是宇宙加速膨脹的一種解釋。另一種被廣泛討論的可能性為引力在極大或極小的尺度上偏離了我們現(xiàn)在熟悉的四維廣義相對理論。具有高質(zhì)量成像與高分辨率光譜能力的TMT項目可以為更好地檢驗這些模型提供一系列驗證方法：TMT具有強大的集光與紅外觀測能力，所以可以很容易地獲得大量高達(dá)z?4處的Ia型超新星光譜。很高紅移處(z2)Ia型超新星的光度距離對宇宙平均曲率參數(shù)Wk的變化非常敏感，能夠克服低紅移Ia型超新星對暗能量模型的限制依賴于Wk的先驗假設(shè)的缺點。TMT可以利用其優(yōu)勢，對Wk進行有效的約束，結(jié)合其他低紅移的巡天項目，更精確地限制暗能量狀態(tài)方程的參數(shù)。此外，TMT得到的超新星數(shù)據(jù)可以用于研究高紅移處的暗能量性質(zhì)，Ia型超新星族隨時間的演化，以及Ia型超新星自身的物理過程。檢驗廣義相對論對于理解引力以及理解暗物質(zhì)和暗能量來說都是至關(guān)重要的。TMT可以通過引力透鏡效應(yīng)和星系速度彌散兩種方法測量星系團質(zhì)量。在廣義相對論中引力透鏡質(zhì)量與動力學(xué)質(zhì)量是相同的，而在其它引力理論中這兩個質(zhì)量可能不同，它們的差別可以用參數(shù)化的后牛頓（PPN）參數(shù)g來量化。利用光學(xué)與近紅外高質(zhì)量成像和多目標(biāo)光譜儀，TMT將極大地提高星系團質(zhì)量測量的精度，對g參數(shù)進行可靠的測量。通過TMT成員的協(xié)同努力，TMT可以完成一個數(shù)平方度的紅移巡天，獲得上百萬條星系光譜。這些光譜可以用于更精確地測量紅移畸變以及大尺度本動速度，在此基礎(chǔ)上宇宙結(jié)構(gòu)增長率的測量精度可以達(dá)到10%。單單這項工作已經(jīng)可以檢驗廣義相對論并鑒別各種引力模型。若與超新星測距工作相結(jié)合，我們可以進一步驗證宇宙距離與結(jié)構(gòu)增長率之間的廣義相對論一致性關(guān)系。目前的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)框架建立于諸如精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和光速這樣的基本物理常數(shù)的恒定性之上，任何基本物理常數(shù)隨時間的變化都將改變我們對宇宙的根本看法。所以對于這些基本物理常數(shù)的恒定性的檢驗同樣引起了TMT項目的強烈興趣。上文提到的Lyα森林觀測就可以用于這方面的研究，但是所使用的不再是中性氫的吸收線，而是一些金屬線。比較理想的方法是利用一組對精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)a不敏感的躍遷線來校準(zhǔn)對精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)a很敏感的躍遷線的波長，從后者波長的變化來確定a的變化。目前結(jié)果表明，|δa/a|小于106，TMT的高分辨率光譜儀可以實現(xiàn)在更高紅移處（也即更長時間基線上）對a變化的限制。 黑洞的形成和演化：過去二十年中在黑洞領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)之一是觀測證明在近鄰的正常星系中心存在大質(zhì)量黑洞。這一發(fā)現(xiàn)證實了在上個世紀(jì)六十年代提出的在近鄰宇宙中存在類星體遺跡的預(yù)言。目前，通過恒星或氣體動力學(xué)的方法，我們已經(jīng)測量了近五十個近鄰星系內(nèi)的中心黑洞質(zhì)量。統(tǒng)計研究顯示這些黑洞質(zhì)量和其寄主星系核球成分的特性（例如，恒星速度彌散、質(zhì)量、光度）緊密相關(guān)，這表明黑洞的成長和星系形成和演化密切相聯(lián)。人們通常認(rèn)為星系核活動階段的反饋作用是導(dǎo)致黑洞和星系的共同成長演化的內(nèi)秉紐帶，然而具體物理作用過程仍然不清楚。黑洞在矮星系、球狀星團、旋渦無核球星系中是否存在，以及若存在它們是否遵從已發(fā)現(xiàn)的黑洞與星系關(guān)系仍是未知。對于宇宙中大多數(shù)遙遠(yuǎn)的大質(zhì)量黑洞，由于其引力影響半徑遠(yuǎn)低于望遠(yuǎn)鏡的空間分辨本領(lǐng)，對其質(zhì)量的測量難以采用動力學(xué)方法。而活動星系核中心的大質(zhì)量黑洞則不同，它們具有超強的輻射和豐富的觀測特征，因而可以在更為遙遠(yuǎn)的宇宙中被探測到。目前已觀測到紅移高于6的類星體，表明在宇宙年齡僅為百分之幾的時期就已經(jīng)有質(zhì)量高達(dá)千萬太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞存在。很早就有研究表明活動星系核與星系中的恒星形成很可能相關(guān)。無論是從大質(zhì)量黑洞的成長還是黑洞與星系的共同演化角度來看，活動星系核是星系演化過程中的重要環(huán)節(jié)。這是因為在這一階段大質(zhì)量黑洞會通過各種反饋作用于星系，影響星系的演化，而黑洞本身則通過吸積使其質(zhì)量得到增長。但這些預(yù)期的圖像的詳細(xì)物理過程在目前還很不清楚。銀河中心也存在一個距我們最近的大質(zhì)量黑洞。對這些恒星運動軌道的觀測提供了銀心存在大質(zhì)量黑洞的最強證據(jù)以及星系中心黑洞質(zhì)量測量中最準(zhǔn)確的一個，這是過去十年內(nèi)在有關(guān)銀河中心的研究中最重要的進展。 目前，其近心距約70AU。如能觀測到距黑洞更近的恒星的軌道運動將有可能幫助探測廣義相對論效應(yīng)。對銀心另一個有趣的發(fā)現(xiàn)是其在射電、亞毫米、紅外、乃至X射線等多波段存在耀斑現(xiàn)象。這些耀斑的起源仍是未知。對于紅外耀斑是否存在準(zhǔn)周期震蕩(QPO)現(xiàn)象仍然存在爭議。TMT預(yù)期的主要科學(xué)貢獻：TMT的大口徑、高空間分辨率、三維成像光譜觀測能力、高精度的天測(astrometry)能力將會在近鄰宇宙中黑洞探測、銀河系中心黑洞、高紅移黑洞和活動星系核等相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生極大的推動作用，并可能伴隨著對黑洞物理理解的重大突破。具體簡述如下：1） 黑洞和星系特性的關(guān)聯(lián)：通過動力學(xué)方法測量黑洞質(zhì)量的一個重要條件是觀測能在空間上分辨黑洞引力所能影響的區(qū)域。()的108(或109)太陽質(zhì)量的黑洞引力影響的區(qū)域,也有可能探測距我們1Mpc(或3Mpc)范圍內(nèi)的質(zhì)量小至103(或104)太陽質(zhì)量的黑洞。TMT的巨大口徑使探測較暗的星系中心(例如，M87中心)成為可能。TMT 的積分場單元光譜儀還能夠比通常的長縫光譜提供更多更完備的有關(guān)黑洞附近恒星運動速度場的信息，這對測量有復(fù)雜動力學(xué)結(jié)構(gòu)的星系中心區(qū)尤為重要。利用TMT，我們可以考察在矮星系或球狀星團中是否存在中等質(zhì)量黑洞，研究黑洞和星系核球成分的相關(guān)是否在不同星系類別中有所不同以及這種關(guān)系隨宇宙時間是如何演化的，進而加深對黑洞的形成、演化和其與星系形成和演化關(guān)系的認(rèn)識。2） 銀河