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來源：互聯網

加那利大型望遠鏡（西班牙語：Gran Telescopio Canarias，簡稱 GranTeCan 或 GTC）是一架口徑為10.4米的大型反射式光學望遠鏡，現位于西班牙加那利群島中拉帕爾馬島穆查丘斯羅克天文臺上。

GTC是由西班牙和墨西哥的多個機構、佛羅里達大學、墨西哥國立自治大學以及加那利天體物理研究所（IAC）共同建成。1987年，IAC首次提出構建一個大型望遠鏡的建設計劃，并于2000年開始建造臺址和望遠鏡圓頂，建設工作耗時7年，總費用達1.3億歐元。直到2007年7月13日，IAC為GTC進行開光儀式，并取得第一幅影像。2009年3月16日，GTC進行首次科學觀測，并開始其運行階段。隨著望遠鏡和儀器套件的發展，人們逐漸將更多時間投入到科學活動中。

GTC的主鏡由36個六邊形鏡片組成，該望遠鏡采用了主動光學技術，以控制鏡片的移動以及形變。GTC望遠鏡結構采用傳統的地平式機架，可以觀測天空中的任何一點。巨大的集光面積、優良的臺址、功能多樣且高度靈活的儀器選擇，使GTC成為目前世界上規模最大、最先進的光學紅外望遠鏡之一。

簡史

提出

1987年，IAC首次提出構建一個大型望遠鏡的建設計劃，該望遠鏡被稱為加那利大型望遠鏡。該項目計劃由西班牙和墨西哥的多個機構、佛羅里達大學、墨西哥國立自治大學以及IAC共同組成，涉及100家公司的1000多人。

建設歷程

望遠鏡臺址位于西班牙加那利群島中的拉帕爾馬島，平均海拔2300米，臺址建筑和望遠鏡圓頂于2000年開始建造。由于天氣條件惡劣加上所處地區偏遠，導致項目安裝工作進展緩慢。GTC建設工作耗時7年，總費用達1.3億歐元。直到2007年7月13日，IAC為GTC進行開光儀式，并取得第一幅影像。2009年3月16日，GTC進行首次科學觀測，并開始其運行階段。2009年7月24日，西班牙國王胡安·卡洛斯一世（西班牙語：Juan CarlosI）為GTC主持開幕，標志著GTC正式啟用。

近期發展

隨著GTC和光譜儀器套件的發展，人們逐漸將更多時間投入到科學活動中。GTC大約80%的時間將用于科學觀察，剩下的時間主要用于擴展和改進望遠鏡的功能以及新儀器和觀測模式的調試。

基本參數

運行架構

光學系統

GTC望遠鏡采用R-C光學系統，主鏡由36塊六角形拼接子鏡組成，每塊子鏡重量450公斤，厚度只有8毫米。除主鏡M1之外還有一個副鏡M2和一個三級鏡M3，三面鏡子共同協作將光學信號匯聚到所選擇的焦點處，然后放置在焦點上的科學儀器對光線進行收集和分析并存儲最終數據。

光學技術

為了獲得更好的成像質量，GTC采用了主動光學技術，通過該技術保證了36塊拼接子鏡的面型和相互位置，使它們能夠形成滿足要求的10.4米望遠鏡主鏡。另外通過該技術也能夠校正主鏡和副鏡由于環境、溫度變化、重力作用以及加工誤差引起的相互位置偏差。在未來GTC將升級使用自適應光學技術，通過快速地校正可變形鏡子（每秒可達1000次）使得望遠鏡能夠糾正大氣湍流帶來的影響從而獲得更高的光學成像質量。

架構

GTC望遠鏡結構采用傳統的地平式裝置機架，大部分結構采用桿材，這樣的設計在保證足夠剛度的前提下，可以大大降低望遠鏡重量，進而有利于望遠鏡的驅動系統和整體裝調，另外采用這種桿材結構，可以大大降低風載和加速整個結構的熱平衡，進而減小風載對望遠鏡控制系統的擾動，有利于獲得高精度的望遠鏡控制。此外，整個望遠鏡方位軸轉動部分的重量只有400噸。望遠鏡采用液體靜壓軸承支撐，液體靜壓軸承具有非常小的摩擦阻力，在400噸載荷作用下，用一只手就可以推動整個望遠鏡，為實現高精度的望遠鏡控制創造條件。

操作

整個望遠鏡采用自動化的遠程控制，觀測人員可以不需要到現場，通過互聯網就能操控整個望遠鏡，大大提高工作效率和降低運行成本。

GTC儀器迭代

通過儀器提供尖端數據的能力是任何望遠鏡裝置在科學上取得成功的一個決定性因素，而GTC也擁有較多的儀器開發計劃。GTC目前可以為Nasmyth焦點配備兩臺儀器，折疊卡塞格林焦點配備三臺儀器，卡塞格林主焦點則配備一臺儀器。此外，為了最大限度地提高GTC的科學回報，GTC接受訪客儀器，這也為GTC帶來更多的附加功能。

第一代儀器

第一個用于科學用途的儀器是OSIRIS（波長為0.36-1微米，光譜分辨率為300-2500），它于2009年3月開始運行。OSIRIS在光學波段范圍內工作，可用于高質量成像和長縫以及多目標光譜研究。OSIRIS在2022年中期轉移到了卡塞格林焦點站運行，并于2022年底安裝新型單片藍敏探測器，提高了OSIRIS儀器的靈敏度（ OSIRIS+ ）。

第二臺儀器CanariCam（波長為8-25微米，光譜分辨率175至1300）于2012年上線，是一款熱紅外相機和光譜儀，具有偏振測量和日冕學功能。2016年4月，將CanariCam從Nasmyth A焦點站移到Folded Cass-E焦點站中與其他儀器共享該焦點站。2019年至2020年間，CanariCam在Folded Cass-E中經過兩年的高效運轉后，最終于2021年2月退役。

第二代儀器

EMIR（波長為1 - 2.5，光譜分辨率 1000/4000-5000），它是一種近紅外多目標光譜儀和紅外成像儀。由IAC領導的一個財團開發，于2016年抵達GTC進行調試，并于2017年中期開始常規運行。憑借其低溫可配置狹縫單元和中等光譜分辨率，該儀器有望成為GTC主力儀器之一。2024年初，為解決EMIR儀器靈敏度不足的問題安裝了新的H2RG探測器。

FRIDA（波長為1-2.5微米，光譜分辨率為1500-30000）是另一個正在開發的GTC工具，通過GTC自適應光學系統，能夠在寬帶和窄帶濾光片中拍照，并促進0.9-2.5μm光譜范圍內的積分場光譜分析。該儀器由墨西哥國立自治大學天文學研究所（UNAM）、加那利天體物理研究所（IAC）、佛羅里達大學（UF）和馬德里康普頓斯大學（UCM）合作領導的一個項目。該儀器正處于建造階段，預計于2024年年底抵達GTC，并于2025年中期開始正常運行。

第三代儀器

MEGARA（波長為0.4-1微米，光譜分辨率為5500-20000）于2017年8月成功完成調試，并于2018年中期開始正常運營，通過可定位光纖同時檢測多達 100 個物體。MIRADAS（波長為1-2.5微米，光譜分辨率為20000）于2022年中期安裝在GTC中，預計在2024年末開始正常運行，通過可展開的探頭臂最多可探測12個目標，每個目標提供3.7x1.2角秒的視野。

下一代儀器（2030+）

GTC目前的儀器計劃將于2025年左右完成。屆時，GTC一大套焦點站將配備六七臺科學儀器，將保證望遠鏡數年的科學競爭力。但定義和構建新工具是一個復雜的過程，至少需要五年時間，預計到 2030 年左右開始運行。

訪客儀器

第一個訪客儀器CIRCE（波長為1-2.5微米，光譜分辨率為1000/4000-5000），由Eikenberry教授倡議設計和建造，并于2015年投入使用，能為望遠鏡提供重要的近紅外成像能力。該儀器可針對光譜進行升級，雖然它在形式上是一種訪問工具，但自2015年9月起仍然向廣大社區提供了兩年，后于2017年9月退役。

2017年底，GTC接收了HiPERCAM儀器（波長為0.36-1微米），并于2018年2月開始運行。該儀器是用于研究宇宙快速變化的高速相機，它將能夠以每秒超過1000幀的速率在5個光學通道中同時成像。2021年4月至2021年9月，HiPERCAM儀器返回在FoldedCass-E上投入使用。2023年5月，永久安裝在FoldedCass-G上。

第三個訪客儀器HORuS（波長為0.4-0.7微米，光譜分辨率25000）是由加那利天體物理研究所（PI：Carlos Allende Prieto博士）研發，該儀器可提供光學波長范圍內點源的高分辨率光譜。HORuS于2019年7月開始運行，直到2021年8月OSIRIS遷移到卡塞格林焦點站后退役。

科學目標

太陽系外行星的探測和精細研究

探測宜居里的行星

視向速度方法，又稱“多普勒光譜學”，其原理是測量恒星收到行星的引力擾動而引起的視向速度變化。美國航空航天局（NASA）發射的開普勒太空望遠鏡及其后續任務K2采用“凌星法”發現了數以千計的系外行星。但是在已經發現的太陽周圍的宜居類地行星候選體中，相當大一部分還沒有得到證認。它們引起的主星視向速度變化幅度極小（通常只有幾厘米/秒）、軌道周期比較長（通常大于300天），并且主星的視星等比較暗弱（通常暗于11等）。因此下一代視向速度測量儀器需要具有高分辨率、穩定的環境控制、以及大口徑的望遠鏡。為GTC研發高分辨率超穩定光譜儀，視向速度精度可以達到10厘米/秒的量級，天文學家利用它有望探測類太陽星周圍的宜居帶里的低質量行星，即“開普勒452b”。

精細研究系外行星的大氣

研究系外行星大氣最常用的方法是測量凌星行星的“透射譜”。這種方法可以揭示系外行星大氣的一些重要的物理和化學性質，例如是否存在原子、分子，是否有云層、塵埃或霧霾，大氣中是否存在逆溫層、是否有風、以及“逃逸流”等等。高分辨、高信噪比的透射譜是研究系外行星大氣極其重要的診斷工具，能夠揭示其中發生的一些有趣的物理過程。這項研究的難點之一是如何在較短的凌星時間內獲得信噪比足夠高的透射光譜。而GTC的大口徑結合高分辨率的光譜儀使這項研究成為可能。

測量凌星行星的質量

開普勒式望遠鏡發現的凌星行星候選體中，超過80%是半徑介于地球1.0到4.0倍之間的行星。但是這樣的所謂“亞海王星行星”在太陽系中并不存在。開普勒太空望遠鏡發現了數目眾多的行星候選體，但是其中很多并不能單純依靠凌星方法測量質量。如果能夠測量這些行星的質量，和半徑參數結合到一起，就能直接求出這些行星的平均密度，進而就能限制它們的化學組成和形成機制。GTC與高精度、超穩定光譜儀相結合，未來有望在該領域取得領先地位。

測量行星的軌道傾角

行星公轉軌道平面與恒星的自轉平面之間的夾角可以反應有關行星系演化的信息。當凌星行星運動到主星的圓面前方時，可以觀測到主星的視向速度有一個波動，這種現象稱為“羅西特-馬克勞夫林效應”（簡寫為RM效應），已經被成功地用于測量了幾十顆行星的軌道傾角下限，發現很多行星的軌道傾角很小，還有一些行星是在“極軌道”上繞恒星公轉的，甚至有反向公轉的行星。這種效應對于熱木星來說比較容易觀測，但是對半徑比較小的行星，以及多行星系統卻非常困難。例如對于海王星大小的行星 HAT-P-11b，其RM效應的振幅只有1.5米/秒。通過GTC的大口徑可以測量多行星系，以及超級地球大小的行星的軌道傾角。

銀河系以及近鄰矮星系的星族成分、化學演化

精細研究極端貧金屬星

隨著大規模測光和光譜中國空間站工程巡天望遠鏡的快速進展，新的極端貧金屬星不斷被發現，金屬豐度下限不斷刷新，該領域得到了快速的發展。例如LAMOST望遠鏡巡天已經找到了數以萬計的極端貧金屬星，甚至有一些金屬豐度（[Fe/H]）5.0的恒星。利用GTC巨大的集光面積，天文學家可以深入地研究這些古老的化石恒星，極大地增進對早期宇宙以及元素核合成過程的認識。

測定最古老恒星的年齡

近年來以LAMOST和SkyMapper為代表的大視場巡天項目發現了很多值得深入研究的古老恒星。利用GTC的超強集光能力，天文學家只需要幾個小時就能獲得這些恒星信噪比大于500的光譜，可以用同位素方法測量它們的年齡。鈾在恒星中的譜線很弱，要想測量到這些譜線，需要高信噪比的光譜和5萬以上的分辨率。這些光譜還可以用來研究快中子過程元素增豐的貧金屬星，進而為快中子模型（例如雙中子星并合模型）和元素核合成模型提供有力的限制。最終，可以建立一個恒星重元素豐度的數據庫，該數據庫不僅檢驗宇宙學模型，還能夠增進對宇宙中各種元素產生過程的認識。

探尋銀河系暈的起源

銀河系的暈為比較星系形成模型和ΛCDM框架下的分層并合模型提供了獨特的實驗室。理解銀河系暈的形成和演化是當代天體物理學中的一個重大課題。研究銀河系暈族恒星的化學組成、空間分布和運動能夠回答很多重要的問題，例如銀河系的質量分布情況、衛星系的吸積等。GTC可以詳細測量銀河系暈中的遙遠恒星的化學元素豐度，進而研究衛星系的吸積在銀河系暈的起源中扮演了什么樣的角色。

銀河系和近鄰矮星系中恒星的同位素豐度?

測量恒星的同位素豐度可以洞察不同的場所發生的核合成過程、銀河系的化學演化、恒星中發生的元素混合和擴散過程，以及恒星的演化。一般來說，一種元素的不同同位素是在特定的核反應中形成的。在可見光波段，同一種元素的不同同位素產生的譜線相互重疊，相對位移很小，因此探測極為困難。利用GTC以及高精度、高分辨率（R>90,000）的光譜儀，可以獲得恒星的高信噪比光譜，進而測量很多元素的同位素位移。

測量基本物理學常數的變化

在物理學中，基本常數如精細結構常數（α）和質子與電子的質量比（μ）通常被認為是在宇宙中一致不變的。實驗室使用原子鐘可以將精細結構常數（α）和質子與電子的質量比（μ）的變化率精確到<10~16年，而天文觀測可以在更長的時間尺度（120億年）和更大的空間尺度（150億秒差距）上進行測量，進而對物理常數的變化更加敏感。通過測量遙遠的類星體的譜線，可以測量到這些常數在宇宙歷史上相當長一段時間內的變化。利用10米望遠鏡的優勢，天文學家發現，精細結構常數（α）的數值可能在宇宙歷史上變化了大約百萬分之6。α和μ萬分之一的數值變化引起的譜線位置變化大約相當于20米/秒。與前一代儀器相比，歐洲南方天文臺甚大望遠鏡（VLT）上的ESPRESSO光譜儀可以將這兩個常數的變化率的測量精度提高至少一個數量級。在10.4米口徑的加那利大型望遠鏡上安裝一臺類似的儀器也可以精確測量α和μ的變化。

應用成果

LB-1系統觀測

2016年初，以中國科學院國家天文臺為首的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究，該團隊利用兩年半的時間監測了一個小天區內3000多顆恒星。后經過研究發現在一個X射線輻射寧靜的雙星系統（LB-1）中，有一顆藍色恒星正圍繞“一個看不見”的天體做著周期性運動，他們認為這個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研究人員隨即利用西班牙10.4米加那利大型望遠鏡和美國10米凱克望遠鏡，進一步確認了LB-1的光譜性質，計算出該黑洞的質量是太陽的70倍。

行星狀星云的觀測

通過使用GTC對位于仙女座星系（M31）不同區域的10個行星狀星云（PNe）進行深度光譜觀測，在所有PNe中都觀察到了溫度敏感的[O iii] 4363線。根據這些光譜，推斷出這些PNe可能都源自低質量（<2 M☉）的恒星，并且通過使用最新的后期漸進巨星分支（AGB）演化模型進行分析，推測這些PNe可能是在持續的星系形成過程中形成的，或者是在與外盤PNe相同的金屬豐富氣體中形成，但由于星系相互作用而被移到它們現在的位置。

FW14號天體觀測

2024年，加那利天體物理研究所（IAC）和馬德里康普頓斯大學（UCM）的一個研究小組首次通過GTC觀測并描述了2023FW14號天體，這是一顆與火星共享軌道的特洛伊小行星。這顆紅色行星是繼木星之后擁有已知特洛伊小行星數量最多的行星，新加入的特洛伊小行星有17顆。增加已知火星"特洛伊木馬"的數量使研究人員能夠加深對這些物體的了解，同時，研究真實的"特洛伊木馬"而不僅僅是數學預測的"特洛伊木馬"，還可以檢驗理論模型的可靠性。

GTC合作協議

2016年9月5日，時任中國科學院國家天文臺臺長嚴俊與西班牙GTC臺長Romano Corradi在馬德里簽署了雙邊合作協議。根據這一協議，雙方將在GTC上進行科研觀測及儀器研發合作。中國科學院國家天文臺有望通過儀器貢獻，實現加入GTC的5%份額的計劃。此外，中國科學院國家天文臺還與GTC探討了基于歐洲太陽望遠鏡EST以及利物浦4米自動望遠鏡的合作可能，并針對TMT（三十米望遠鏡）項目的建設進行了交流。

2019年5月，時任中國科學院副院長的張濤訪問西班牙GTC和IAC。?深入調研了西班牙與中國的天文合作進展，考察了西班牙10.4米GTC的觀測運行情況。同時，參加了GTC的夜間觀測，對國家天文臺申請使用GTC觀測的科學目標及雙方科研合作所取得的成果做了深入了解，進一步促進了“一帶一路”框架下繼續深入開展中西天文合作。

2019年8月1日，西班牙GTC天文臺正式簽發了《概念設計評審報告》的官方接受文件，這標志著中國團隊提出的GTC高分辨率超穩定光譜儀（GTC高分辨率超穩定光譜儀是GTC望遠鏡第二代大型科學儀器之一，核心科學研究包括太陽系外行星、恒星化學豐度、同位素、物理常量等）概念方案順利通過國際評審。

參考資料 >

Gran Telescopio.IAC.2024-04-09

The GTC Project. Present and Future .Archive.org.2024-04-09

加那利大型望遠鏡.中國大百科全書.2024-04-09

Frequently Asked Questions .Archive.org.2024-04-09

Tests begin on Canaries telescope .BBC.2024-04-09

Huge telescope opens in Spain's Canary Islands.PHYS.ORG.2024-04-10

El Gran Telescopio CANARIAS comienza a producir sus primeros datos científicos.IAC.2024-04-10

Gran Telescopio.IAC.2024-04-09

Gran Telescopio CANARIAS .IAC.2024-04-09

關于GTC | About GTC.GTC CHORUS.2024-04-09