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四個世紀前，伽利略將他的望遠鏡指向天空，天文學從此永遠改變。在世界慶祝望遠鏡誕生 400 週年之際，另一場宇宙學革命即將到來：巨型麥哲倫望遠鏡 (GMT)、三十米望遠鏡 (TMT) 和歐洲特大望遠鏡 (E-ELT)——預計都將在 2020 年前首次觀測——將使當今使用的最大天文臺相形見絀。
最大的 42 米（138 英尺）E-ELT 將比今天的 10 米（33 英尺）光學望遠鏡收集多 15 倍的光。TMT 的主鏡直徑為 30 米（98.5 英尺），GMT 則提供 24.5 米（80 英尺）反射鏡的解析度，也將超越目前任何光學望遠鏡。
天文學家一直都想要更大的望遠鏡來分辨更微弱的物體。大直徑望遠鏡，基本上是大型光桶，在給定的觀測時間內可以收集更多的光子。更大的鏡子還可以提高望遠鏡的角解析度，即測量兩個相鄰物體之間分離的能力。
下一代大型望遠鏡是在 20 世紀 90 年代夏威夷莫納克亞山上的 W. M. 凱克天文臺取得的技術飛躍之後出現的。
“我們使用凱克望遠鏡已有 10 年了，我們看到了……10 米孔徑的侷限性，”加州理工學院天文學教授兼 TMT 科學顧問委員會主席查克·斯泰德爾說。“因此我們開始思考：將會出現下一代地面望遠鏡，（而且）我們需要現在就開始考慮它。”
建造天文臺的競賽部分原因是“不想落後”，斯泰德爾說。“有足夠的科學研究可以使用這些望遠鏡的多個版本。……如果只有其中一個供全世界共享，那實際上將是一種遺憾，因為值得做的事情不止一個望遠鏡。”
但尺寸並非一切。這些望遠鏡將依賴於自適應光學技術，該技術採用可變形（改變形狀）的鏡子來消除大氣湍流。預計這將使這些望遠鏡的效能與任何基於太空的可見光波長天文臺（包括哈勃太空望遠鏡）一樣好。總的來說，它們有望照亮一個時代，即第一批恆星和星系在 120 多億年前照亮了虛空，探測系外行星的大氣層，並揭開銀河系中心以及遙遠星系中超大質量黑洞的奇異物理學。
對於哈佛大學的理論物理學家兼天文學教授阿維·勒布來說，這些儀器將使研究人員能夠為天文學的“宇宙相簿”新增缺失的頁面。
“為了更深入地探測宇宙，你真的需要越來越大的望遠鏡，”勒布說。“現代望遠鏡使我們能夠看到宇宙只有十億年曆史時的星系。我們希望看到最早的星系。……這有點像是創世紀的第一章——‘要有光’。”
加州大學伯克利分校的天文學家保羅·卡拉斯使用哈勃望遠鏡拍攝了第一張系外行星的可見光影像，該行星被稱為北落師門 b，距離地球 25 光年。他說，探測圍繞其他恆星執行的行星光譜也可能在下一代望遠鏡的射程之內。“我們很幸運能夠將其視為一個光點，但要分散光線並獲得甚至低解析度的光譜，這似乎超出了我們今天的能力，”卡拉斯說。
卡拉斯說，憑藉前所未有的角解析度和集光能力，新的望遠鏡應該能夠如此清晰地聚焦恆星的光線，以至於天文學家將能夠辨別出足夠靠近恆星的行星，從而可能找到與地球相似的行星。此類行星的光譜分析可能會揭示生物標記，例如氧氣、甲烷和一氧化二氮。
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預計 GMT、TMT 和 E-ELT 將與太空望遠鏡和其他地面天文臺合作。例如，美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡計劃於 2013 年發射，它將編錄宇宙中一些最遙遠的紅外物體。然後，三架光學望遠鏡將更詳細地檢查這些物體。
現代天文學本質上是一項多波長事業，部署不同的儀器來根據物體在電磁波譜中發射的光子型別（從無線電波到伽馬射線）對物體進行表徵。斯泰德爾說，這使得大孔徑光學儀器越來越重要。“你將非常依賴這些儀器來理解透過其他裝置發現的東西，因為沒有什麼比用大型孔徑[望遠鏡]從地面進行光學或近紅外光譜分析更靈敏的了，”斯泰德爾說。
預計耗資 9.5 億歐元（約合 12 億美元）的 E-ELT 由歐洲南方天文臺贊助。候選地點位於智利、阿根廷、西班牙和摩洛哥。
TMT 在 2006 年的價格為 7.54 億美元，是加州理工學院、加州大學和加拿大大學天文研究協會 (ACURA) 之間的合作伙伴關係。有兩個候選地點：夏威夷的莫納克亞山和智利阿塔卡瑪沙漠的塞羅阿馬佐內斯。
預計耗資 6.5 億美元的 GMT 由華盛頓卡內基研究所和美國、澳大利亞和韓國的其他八個天文研究機構提供支援。計劃在阿塔卡瑪的拉斯坎帕納斯天文臺建造。
E-ELT 和 TMT 的設計相似，都採用薄的、分段的鏡子排列成一個連續的主鏡。E-ELT 的 42 米主鏡將由 984 個部分組成，而 TMT 的 30 米主鏡將由 492 個部分組成。
GMT 選擇將七個 8.4 米（27.6 英尺）的蜂巢鏡子安裝在一起作為主鏡。GMT 代理主任帕特·麥卡錫說，從機械上講，這些鏡子會非常堅硬，並且由於它們大部分為空心結構，因此它們會相對較輕。
這三個專案在爭奪首次觀測的競賽中，儘管如此，它們還是分享了一些關於其科學目標、潛在地點的質量和其他挑戰的集體知識。
“總會有競爭，一種體育精神，”E-ELT 專案科學家馬庫斯·基斯勒-帕蒂格說。“我們希望做出首次發現……但儘管有競爭精神，我還是希望這三個專案都能真正實現。”