【正文】 。TMT的設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮到了對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)的需求。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。更進(jìn)一步的高分辨光譜觀測(cè)可使我們?cè)诓煌曄蛏涎芯啃窍甸g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。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。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。雖然它的主要目的是用于探測(cè)太陽系外行星，它同樣可以用來探測(cè)類星體的宿主星系。TMT的集成場(chǎng)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。雖然這種觀測(cè)還是代價(jià)很高，但至少對(duì)最亮的部分星系而言，這樣的工作在TMT上是可行。單是對(duì)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(duì)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。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。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。2） 對(duì)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(duì)高紅移天體進(jìn)行細(xì)致的光譜分析工作。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(zhǎng)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）。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)。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(cè)這一特征線。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。凡此種種都將使TMT在下一代大型設(shè)備對(duì)極高紅移宇宙的研究前沿中顯露特色。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。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。但是，僅有候選者樣本對(duì)認(rèn)知極早期宇宙是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。據(jù)當(dāng)前的學(xué)界共識(shí)，長(zhǎng)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。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。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。盡管我們至今還未探測(cè)到原初光源，我們離這一目標(biāo)已越來越近。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(duì)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(duì)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。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(duì)研究銀河系的并合歷史很重要，而且對(duì)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。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(duì)比。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。要全面研究銀河系暈和盤的化學(xué)演化，我們需要觀測(cè)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?，F(xiàn)有的10米級(jí)地面望遠(yuǎn)鏡只能觀測(cè)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。在這方面，精確分析大量矮星樣本尤其重要。特別地，確定恒星的化學(xué)組成，需要中高分辨率光譜。銀河系的形成和演化是檢驗(yàn)星系形成理論的基礎(chǔ)。我們還可以觀測(cè)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。目前10米級(jí)地面望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)對(duì)M31的紅巨星支頂端的天體進(jìn)行了觀測(cè)，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。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。利用TMT，我們不僅可以觀測(cè)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(cè)更遙遠(yuǎn)的星系，檢驗(yàn)現(xiàn)有的星系形成理論。因此，下一步的工作將延伸到對(duì)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(cè)。因此，觀測(cè)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。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)。 近場(chǎng)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。其次，通過微引力透鏡的放大作用，TMT可以觀測(cè)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。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(cè)到。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。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(duì)理解星系的形成和演化有至關(guān)重要的作用。4） 星系際介質(zhì): 觀測(cè)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。此外，可以利用TMT，對(duì)LAMOST和BigBOSS觀測(cè)得到一些特殊星系，如金屬豐度特別貧的星系，進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)。3） 星系的化學(xué)演化：研究星系中各種元素豐度的變化，是我們了解星系的形成和演化、以及星系中恒星形成歷史的重要手段。如，利用TMT可以對(duì)相對(duì)暗的近鄰星系進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)研究，從而有效地?cái)U(kuò)大其樣本；同時(shí)，對(duì)中等紅移及高紅移星系的動(dòng)力學(xué)分析，使得我們能夠詳實(shí)的了解星系各種性質(zhì)，如TullyFisher關(guān)系，F(xiàn)P關(guān)系等的演化，從而深入認(rèn)識(shí)影響星系形成與演化的各種物理過程。2） 星系動(dòng)力學(xué)與星系演化：從暗物質(zhì)研究，到探索星系的各種物理性質(zhì)，星系動(dòng)力學(xué)在天體物理研究中具有重要的作用?；蛘逿MT可以對(duì)星系團(tuán)成員星系進(jìn)行高完備度的重復(fù)觀測(cè)，給出星系團(tuán)內(nèi)暗弱星系光度函數(shù)的精確測(cè)量；結(jié)合暗暈吸積理論我們也可以探索星系的演化。在這一領(lǐng)域，TMT將有可能幫助我們建立自洽的星系形成模型。1） 星系的光度函數(shù)或恒星質(zhì)量函數(shù)：星系的光度函數(shù)或恒星質(zhì)量函數(shù)是描述宇宙中所形成星系數(shù)密度的基本觀測(cè)量，它直接告訴我們宇宙中發(fā)光物質(zhì)的總量及其存在的形式。我們可以研究到紅移z～2的星系質(zhì)量函數(shù)的演化，可以在非常高的精度上研究臨近宇宙的物質(zhì)分布，研究紅移z~1的星系化學(xué)豐度演化，利用QSO的吸收線在很大的紅移范圍內(nèi)研究氣體的狀態(tài)和分布，研究到紅移z～，尋找最高紅移的星系，等等。而在更高紅移z1，即使把目前所有的星系觀測(cè)加在一起，所給出的光譜數(shù)據(jù)也是有限的。近十年內(nèi)，由于大的光譜紅移巡天的實(shí)施，比如2dFGRS，SDSS，我們能夠得到的臨近宇宙的觀測(cè)數(shù)據(jù)有了質(zhì)的飛躍。產(chǎn)生這些問題的主要原因有三個(gè)：第一個(gè)可能性是目前的理論中還缺少一些至關(guān)重要的成分或已有的成分沒有正確反映真實(shí)的物理過程；其次，目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)在限制模型參數(shù)時(shí)還存在兼并問題，因此一些參數(shù)空間還沒有被考慮；最后，不同的觀測(cè)之間可能存在系統(tǒng)誤差，例如觀測(cè)的星系質(zhì)量函數(shù)演化和觀測(cè)的恒星形成歷史就不相符。盡管近二十年來這一方面的研究取得了許多重要的進(jìn)展，星系的形成和演化理論仍存在一些非常嚴(yán)重的問題：例如，如何預(yù)言星系光度函數(shù)的暗端斜率；如何解釋理論預(yù)言中太快的盤星系旋轉(zhuǎn)速度。研究結(jié)果已經(jīng)能給出冷暗物質(zhì)暈特性的精確描述，例如它的質(zhì)量函數(shù)、空間分布、形成歷史和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等；構(gòu)成了研究星系形成的基石。而冷暗物質(zhì)為主的宇宙又決定了結(jié)構(gòu)的等級(jí)成團(tuán)：小暗暈并合而成大暗暈，附帶星系轉(zhuǎn)化為星系群或團(tuán)；而星系星系的并合可能是橢圓星系形成的主要機(jī)制。首先，宇宙早期的微小擾動(dòng)在引力不穩(wěn)定作用下會(huì)逐步增長(zhǎng)，最后塌縮為位力化的暗暈。而且我們可以對(duì)宇宙的一些基本參數(shù)進(jìn)行可靠的測(cè)量。 星系的形成和演化 TMT的高空間分辨率, 高光子靈敏度, 高光譜分辨率和極大的光譜覆蓋范圍為我們提供了多樣化研究宇宙演化各個(gè)階段恒星形成的手段。TMT可用于直接檢驗(yàn)TullyFisher關(guān)系的存在和演化。上世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的旋渦星系的本征亮度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的相關(guān)(TullyFisher Relation)為宇宙測(cè)距提供了標(biāo)準(zhǔn)燭光。在高紅移宇宙，TMT對(duì)恒星形成的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到星系的尺度上。在這一公認(rèn)的星系形成、宇宙進(jìn)化的關(guān)鍵時(shí)段里，TMT提供了一個(gè)測(cè)量恒星形成速率的獨(dú)特手段。對(duì)于Z，氫原子Paschen α譜線系紅移進(jìn)入 K－band, 不再受地球大氣水分子吸收帶影響，從而使地面觀測(cè)成為可能。ULIRG富含塵埃和氣體，大多數(shù)正在經(jīng)歷聚合或其他劇烈演變。比太陽亮1012TMT可以在 1kpc 的距離上分辨 100Au 的空間尺度，從而使系統(tǒng)觀測(cè)鄰近太陽的年輕星吸積過程成為可能。 mm, s(2) mm, 和 s(3) mm。中紅外波段富含分子振動(dòng)或振動(dòng)／轉(zhuǎn)動(dòng)譜線。在中紅外波段, 這樣精細(xì)的動(dòng)力學(xué)分辨率和高靈敏度的結(jié)合是TMT獨(dú)有的。高光譜分辨率是除空間分辨及靈敏度之外，TMT的另一重大技術(shù)發(fā)展。TMT提供的鄰近宇宙的恒星構(gòu)成樣本，尤其是在不同恒星形成條件下的區(qū)域比較 （例如銀心大質(zhì)量反常星團(tuán)），將給任何試圖理解初始質(zhì)量函數(shù)的理論工作以及試圖將它推廣到遙遠(yuǎn)星系的應(yīng)用研究提供觀測(cè)基礎(chǔ)。這些優(yōu)勢(shì)使得TMT可以開展前所未有的對(duì)銀河系及鄰近星系恒星構(gòu)成的普查。在缺乏物理基礎(chǔ)和直接檢驗(yàn)的條件下,基于銀河系的恒星初始質(zhì)量函數(shù)被廣范應(yīng)用于宇宙學(xué)模擬和星系演化模型。其間重力 熱力學(xué)，激波，湍流，化學(xué)演化等過程相互耦合。要科學(xué)的理解這個(gè)世界和它所處的星系， 我們要研究有關(guān)恒星形成中尚未解決的基本問題: 恒星形成與環(huán)境的關(guān)系，恒星形成的效率，以及恒星形成在星系演化中的作用。直接檢驗(yàn)這些研究結(jié)果， 需要可信的，定量的恒星形成理論, 因?yàn)槌⒉ū尘巴獾目梢曈钪媸峭ㄟ^恒星形成過程建立的。恒星形成導(dǎo)致了宇宙中絕大部分可觀測(cè)結(jié)構(gòu)和重元素的起源。 恒星形成并將有可能直接探測(cè)到活動(dòng)星系核模型中所預(yù)言的塵埃環(huán)。TMT還可以用氣體動(dòng)力學(xué)方法直接測(cè)量鄰近宇宙中更遠(yuǎn)和更多的活動(dòng)星系核的黑洞質(zhì)量，并對(duì)常用的活動(dòng)星系核黑洞質(zhì)量估計(jì)方法的進(jìn)行定標(biāo)。4） 宇宙中黑洞的整體普查：TMT將探測(cè)到更早宇宙時(shí)期的活動(dòng)星系核和大質(zhì)量黑洞，也可以探測(cè)鄰近宇宙中質(zhì)量更小的星系中心的中等質(zhì)量黑洞。這些觀測(cè)可以獲得從鄰近到早期的宇宙歷史時(shí)期的活動(dòng)星系核寄主星系的各種各樣的觀測(cè)性質(zhì)，使得我們可以考察在宇宙早期(高紅移處)的黑洞與核球關(guān)系及其宇宙學(xué)演化，研究活動(dòng)星系核(黑洞吸積)和恒星形成的關(guān)系，探測(cè)雙活動(dòng)星系核等。3） 黑洞和星系的共同演化：TMT的接近衍射極限的高空間分辨本領(lǐng)和三維成像光譜觀測(cè)能力是觀測(cè)活動(dòng)星系核寄主星系的最為適合的設(shè)備。TMT