【正文】 4） 星系際介質(zhì): 觀測表明宇宙中，尤其臨近宇宙中主要的重子物質(zhì)并不在星系中，而是以星系際介質(zhì)的形式存在。在大尺度上重子物質(zhì)和暗物質(zhì)由于受共同的引力作用，其結(jié)構(gòu)演化存在耦合性，因此對星系際介質(zhì)的研究可以幫助我們測量暗物質(zhì)的分布行為、進(jìn)行宇宙學(xué)的研究。另外作為星系形成的源泉，星系際介質(zhì)的分布和狀態(tài)對理解星系的形成和演化有至關(guān)重要的作用。TMT/WFOS對給定Lymanbreak 星系和類星體位置的深度觀測，以及TMT/HROS 對給定類星體的高精度光譜觀測，可以幫助我們研究星系際介質(zhì)的金屬增豐，研究星系星系際介質(zhì)之間的相互作用，研究小尺度上的功率譜，及其從高紅移到低紅移的演化。5） 引力透鏡: 引力透鏡是一種獨(dú)特的基于質(zhì)量從而探究天體（從恒星到星系團(tuán)）的有效方法。在這一領(lǐng)域里，TMT可以做出重要貢獻(xiàn)。比如說，視伴星系在某些存在異常流量比（flux ratio anomalies）的射電透鏡系統(tǒng)中被觀測到。TMT可以有效確定它們的紅移，從而認(rèn)證是否它們以衛(wèi)星星系的身份存在于透鏡星系中，或者它們僅僅恰巧落在視線方向上而在同一視場中被觀測到。其次，通過微引力透鏡的放大作用，TMT可以觀測一批銀河系中心核球（bulge）里的矮恒星，獲得極高信噪比光譜，可以用來分析核球恒星的金屬豐度并限制核球形成機(jī)制。此外，TMT還可以用來尋找被星系團(tuán)引力透鏡作用放大的高紅移背景星系，從而研究宇宙極早期的星系形成活動(dòng)。 近場宇宙學(xué)和恒星物理星系,作為構(gòu)成宇宙結(jié)構(gòu)的基本單元，如何形成和演化是現(xiàn)代天體物理學(xué)尚未解決的基本問題之一。目前有關(guān)星系形成問題的主流理論是冷暗物質(zhì)模型預(yù)言的星系等級(jí)形成理論。根據(jù)星系等級(jí)形成理論，星系的形成開始于早期小尺度團(tuán)塊，這些團(tuán)塊在引力作用下逐漸并合形成更大的結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，一代又一代的恒星從氣體中形成和演化，化學(xué)元素不斷地從恒星中合成，并通過星風(fēng)、超新星爆發(fā)等途徑反饋到星際介質(zhì)中，從而影響新一代恒星的形成和化學(xué)組成。因此，觀測星系中恒星的化學(xué)元素豐度，并利用恒星豐度特征和視向速度等信息尋找形成星系的小尺度結(jié)構(gòu)和其它并合證據(jù)，已成為現(xiàn)代天文學(xué)的熱點(diǎn)問題。在銀河系結(jié)構(gòu)和演化方面，通過10米級(jí)的地面光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡觀測單顆恒星的光譜，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多銀河系和近鄰星系早期并合過程遺留下來的痕跡。因此，下一步的工作將延伸到對本星系群中另一個(gè)旋渦星系M31中的大樣本恒星進(jìn)行中低分辨率的光譜觀測。這需要更大口徑的地面望遠(yuǎn)鏡，如TMT。利用TMT，我們不僅可以觀測銀河系中更加暗弱和遙遠(yuǎn)的恒星，而且可以更加細(xì)致地觀測更遙遠(yuǎn)的星系，檢驗(yàn)現(xiàn)有的星系形成理論。具體地，我們將利用TMT/WFOS研究銀河系中極端暗弱的矮星系，M31和其它更遙遠(yuǎn)的星系中大量恒星的光譜。其中，極端暗弱的矮星系是暗物質(zhì)主導(dǎo)的星系，是研究小尺度暗物質(zhì)的理想實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，大樣本的恒星光譜可以用來尋找貧金屬星。目前10米級(jí)地面望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)對M31的紅巨星支頂端的天體進(jìn)行了觀測，利用TMT可以將M31的研究延伸到比紅巨星支光度更暗的天體，得到它們的視向速度和金屬豐度。通過分析視向速度的彌散，可以研究它們的化學(xué)和動(dòng)力學(xué)演化。我們還可以觀測M31中的球狀星團(tuán)，研究星系的恒星形成、并合和化學(xué)增豐歷史。此外，我們將利用光度恒定的藍(lán)水平分支恒星確定距離，結(jié)合光譜提供的金屬豐度和視向速度、自行等信息，確定星系的旋轉(zhuǎn)曲線，并由此確定星系的質(zhì)量。銀河系的形成和演化是檢驗(yàn)星系形成理論的基礎(chǔ)。只有在銀河系中，我們才能得到大量恒星的空間位置、速度分布和化學(xué)豐度特征，細(xì)致研究星系的化學(xué)和動(dòng)力學(xué)演化歷史。特別地，確定恒星的化學(xué)組成，需要中高分辨率光譜?；诂F(xiàn)有的設(shè)備，只有在銀河系中我們能獲得單顆恒星的高分辨率、高信噪比光譜，并由此確定恒星的大氣參數(shù)、金屬豐度、年齡等信息，從而細(xì)致地追蹤銀河系的化學(xué)演化歷史。在這方面，精確分析大量矮星樣本尤其重要。因?yàn)榘沁€未演化離開主序，它們表面的化學(xué)組成保留了形成時(shí)期星際介質(zhì)的化學(xué)成分，是追蹤星系化學(xué)演化的最好樣本?，F(xiàn)有的10米級(jí)地面望遠(yuǎn)鏡只能觀測到距離太陽幾個(gè)kpc（離開銀心約10kpc）的矮星高分辨率高質(zhì)量光譜。即使只利用中等分辨率也很難獲得銀心距大于10kpc的矮星的高質(zhì)量光譜。要全面研究銀河系暈和盤的化學(xué)演化，我們需要觀測距離銀心25kpc的矮星樣本，特別是外暈和外盤區(qū)域才是星系并合過程發(fā)生的主要地點(diǎn)，因此需要更大口徑的望遠(yuǎn)鏡才能進(jìn)行。銀河系的年齡表明，它在宇宙很早期就形成了，因此我們可以期望利用TMT在銀河系中尋找第一代恒星和銀河系早期的演化歷史，并為宇宙年齡提供下限。同時(shí)，并合作為星系形成的主流理論，我們希望在以并合為主導(dǎo)的外暈和外盤中尋找并合過程遺留下來的化學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)痕跡。具體來說，我們希望找到具有回退軌道等運(yùn)動(dòng)學(xué)異常和具有低[alpha/Fe]比率等化學(xué)豐度異常的恒星。此外，我們還將研究銀河系周圍衛(wèi)星星系中恒星的中高分辨率光譜，與銀河系的結(jié)果進(jìn)行直接對比。研究它們的化學(xué)組成與外暈恒星有何差異？在外暈恒星中，究竟有多少是由銀河系周圍矮星系瓦解而形成的？近期研究表明，銀河系外暈的球狀星團(tuán)與近鄰的矮星系具有相同的金屬年齡關(guān)系，它們與銀河系的并合歷史有關(guān)。因此，研究銀河系外暈中球狀星團(tuán)中恒星的化學(xué)組成不僅對研究銀河系的并合歷史很重要，而且對解決球狀星團(tuán)自身的起源問題、第二參數(shù)問題、多星族成分問題以及元素在恒星中的耗散等問題都起重要作用。利用TMT，我們可以得到非常高分辨率的恒星光譜，這對研究恒星中許多元素的同位素豐度非常有益。利用同位素豐度，我們可以研究不同天體環(huán)境下的核合成過程，對更好地理解元素核合成、中子俘獲過程在銀河系早期的相對貢獻(xiàn)和確定宇宙中鋰同位素的產(chǎn)生與演化等重要的天體物理學(xué)問題具有重要的作用。 原初光源及宇宙再電離探知宇宙最早期的“原初光源”是現(xiàn)代觀測宇宙學(xué)中最激動(dòng)人心的課題之一。盡管我們至今還未探測到原初光源，我們離這一目標(biāo)已越來越近。，那時(shí)距宇宙大爆炸之后僅七、八億年（注：宇宙現(xiàn)在的年齡是137億年左右）。研究表明，（距宇宙大爆炸之后約10億年）已經(jīng)有了演化相當(dāng)成熟的星系，這意味著它們必然是在紅移遠(yuǎn)大于7處形成的。事實(shí)上，在近來的觀測中，人們也確實(shí)找到了一些極高紅移的星系候選者，其中可能有紅移10處的星系。如此之高的紅移已追溯到宇宙再電離過程的進(jìn)行階段了。另一方面。據(jù)當(dāng)前的學(xué)界共識(shí)，長時(shí)標(biāo)伽瑪暴是與大質(zhì)量恒星的演化末期密切相關(guān)的，因此這一證據(jù)也間接說明尋找原初光源應(yīng)當(dāng)向紅移遠(yuǎn)大于7處進(jìn)軍。從目前觀測手段的進(jìn)展來看，在今后十年內(nèi)，我們會(huì)有更多、更可靠、更高紅移的天體候選者樣本。但是，僅有候選者樣本對認(rèn)知極早期宇宙是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。最起碼的一點(diǎn)，我們必須確認(rèn)這些候選者確實(shí)是如我們所想的極高紅移處的天體。由于這些候選者都極其暗弱， 目前世界上最大型的設(shè)備都無法勝任這種最起碼的證認(rèn)工作，我們不得不等待諸如TMT這樣的下一代大型設(shè)備。TMT有無與倫比的集光能力，我們因此有可能看到宇宙的第一代恒星形成之初，研究宇宙最早期的星系、大質(zhì)量黑洞的形成歷程。輔以主動(dòng)光學(xué)，TMT的空間分辨率要比ALMA、JWST都高出一籌，這將是TMT在下一代大型設(shè)備中的獨(dú)特之處。TMT還能開展高分辨的光譜研究，這是連JWST都不具有的能力。凡此種種都將使TMT在下一代大型設(shè)備對極高紅移宇宙的研究前沿中顯露特色。TMT預(yù)期的主要科學(xué)貢獻(xiàn)：1） 尋找星族III恒星宇宙的第一批恒星，也即通常所稱的“星族III”恒星，形成于原初氣體的坍縮，其特征是金屬豐度為零。在目前的冷暗物質(zhì)模型框架下，質(zhì)量為十萬太陽質(zhì)量左右的暗物質(zhì)暈大約在紅移50處開始形成星族III恒星。到紅移1015處，這些暗物質(zhì)暈中可能已經(jīng)形成了足夠多的星族III恒星，它們的He II 1640埃特征發(fā)射線極可能已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)。TMT的第一代設(shè)備之一，IRMS，應(yīng)有足夠的靈敏度可用于直接探測這一特征線。直接探測星族III恒星非但是我們理解最早期的恒星／星系形成的根本，而且還對我們理解暗物質(zhì)的本質(zhì)有非凡意義。時(shí)下最流行的冷暗物質(zhì)模型只是所有解釋暗物質(zhì)現(xiàn)象的一個(gè)可選模型，別種選項(xiàng)，比如“暖暗物質(zhì)”模型，其成功程度與之相當(dāng)。 在冷暗物質(zhì)模型中，星族III恒星的空間分布呈離散狀，在暗物質(zhì)暈中聚集成團(tuán)。而在暖暗物質(zhì)模型中，星族III恒星群體是以幾如爆炸般的速度形成的，其空間分布呈細(xì)長的“絲狀”，可延展至兩千多萬光年（相當(dāng)與我們銀河系的半徑）。如果暖暗物質(zhì)模型更符合事實(shí)，則星族III恒星將因這一特點(diǎn)而更容易被探測到，并且TMT將有可能分辨出它們的獨(dú)特空間分布，進(jìn)而由此判定暗物質(zhì)的本質(zhì)。2） 對紅移大于6處的星系與類星體的光譜研究綜合TMT的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它的強(qiáng)項(xiàng)之一是對高紅移天體進(jìn)行細(xì)致的光譜分析工作。因此顯而易見，我們應(yīng)當(dāng)發(fā)揮它的長處，優(yōu)先開展對紅移大于6的星系及類星體候選者樣本的證認(rèn)工作。光譜證認(rèn)是肯定這些候選者為高紅移天體的不二手段，也是獲取它們精確紅移的唯一途徑。到目前為止，紅移為6處的星系候選者樣本已經(jīng)相當(dāng)可觀。今后幾年內(nèi)，諸多地基與空間的巡天項(xiàng)目還將搜集到一批紅移為710左右的候選者樣本。JWST上天后，我們可以期待更多更完善的樣本。單是對這些候選者的紅移證認(rèn)就有極高的科學(xué)價(jià)值，因?yàn)檫@一工作將深刻影響我們對許多宇宙學(xué)問題的根本理解，比如，低光度的恒星形成星系是否為宇宙再電離的主導(dǎo)因素，再電離開始于何時(shí)，等等。TMT的大口徑將使我們得以對極高紅移星系進(jìn)行高分辨的光譜觀測。雖然這種觀測還是代價(jià)很高，但至少對最亮的部分星系而言，這樣的工作在TMT上是可行。通過高分辨光譜，我們將能分析這些極早期星系的化學(xué)元素豐度，并由此限制初始質(zhì)量函數(shù)的范圍。TMT的集成場光譜功能將使我們得以研究極早期星系的動(dòng)力學(xué)，由此我們可以推知許多星系形成過程的細(xì)節(jié)，進(jìn)而構(gòu)建星系形成模型。值得提到的是，在為TMT配置的后端設(shè)備中，將來會(huì)有一具高反差的成像光譜儀。雖然它的主要目的是用于探測太陽系外行星，它同樣可以用來探測類星體的宿主星系。對極高紅移的類星體來說，研究它們的宿主星系有極高價(jià)值，因?yàn)檫@將揭示超大質(zhì)量黑洞的形成過程以及對后續(xù)恒星形成的影響（也即所謂的“活動(dòng)星系核反饋”）。3） 以類星體和伽瑪暴余暉為探針進(jìn)行星系間介質(zhì)的光譜研究Sloan巡天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了若干紅移大于6的極亮類星體。通過以這些類星體為探針的光譜觀測， GunnPeterson吸收現(xiàn)象已經(jīng)得到了確證，我們并由此認(rèn)為宇宙再電離應(yīng)當(dāng)結(jié)束于紅移約等于6處。目前已經(jīng)有若干大面積的紅外深度巡天項(xiàng)目正在進(jìn)行，在這些項(xiàng)目完成后，人們將得到一批更高紅移處的類星體樣本。TMT建成后，類似的觀測可在這些樣本的基礎(chǔ)上推廣到更高紅移處，我們將得以研究極早期宇宙星系間介質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，研究再電離過程的非均勻性。更進(jìn)一步的高分辨光譜觀測可使我們在不同視向上研究星系間介質(zhì)的元素豐度，由此推斷宇宙極早期的化學(xué)演化過程。伽瑪暴余暉提供了研究星系間介質(zhì)的新途徑，其手段幾乎等同于對類星體的觀測，唯一區(qū)別是附加了實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求。類星體的能量源是超大質(zhì)量黑洞，第一代超大質(zhì)量黑洞的形成很有可能滯后于第一代恒星／星系的形成。因?yàn)殚L時(shí)標(biāo)伽瑪暴是由大質(zhì)量恒星的死亡引發(fā)的，對伽瑪暴余暉的觀測很有可能深入到比類星體可達(dá)的最早期還要更早。TMT的設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮到了對實(shí)時(shí)響應(yīng)的需求。我們對宇宙再電離時(shí)期的星系間介質(zhì)的認(rèn)識(shí)很有可能將來自于對大樣本的伽瑪暴余暉的實(shí)時(shí)高分辨光譜觀測。