進入新世紀，人類面臨探索宇宙的更大挑戰與機遇：要闡明宇宙起源及其物質組成、揭示暗物質和暗能量的本質、尋找地外生命與文明等自然科學最重大的基本問題。ＴＭＴ的探測深度將是當代望遠鏡的１０—１００倍，空間分辨率則是哈勃空間望遠鏡的12倍，其強大的宇宙洞察能力必將引發天文學研究的飛躍發展。TMT的設計者期望在其建成後將在以下七大前沿科學領域取得重大突破性進展。

　　1. 係外行星探測和性質的研究

　　尋找地球以外適合人類生存的環境一直是人類的夢想。20世紀末，人類首次在係外主序恒星飛馬座51號周圍探測到行星的存在。TMT獨特的視向速度精度和直接成像技術，可以探測到太陽系外行星系統從軌道週期幾天到幾百年的行星，如此完整的樣本對於行星系統的形成理論以及統計力學研究具有重要意義，由此可以進行比較行星學研究，進一步探索可居住行星的普遍性，這對研究生命起源與繁殖具有重要意義。

　　2. 基礎宇宙學

　　尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘，結合了粒子物理和宇宙學兩大學科的研究已成為21世紀天文學和物理學的一個重要趨勢。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模天文巡天項目，以推動這一重大交叉學科的發展。TMT因具有從光學到近紅外波段的極其強大的觀測能力，將在宇宙學研究的前沿發揮關鍵作用。

　　3. 黑洞的形成和演化

　　過去20年中在黑洞領域的重大發現之一是觀測證明在近鄰的正常星系中心存在大質量黑洞。這一發現證實了在上個世紀60年代提出的在近鄰宇宙中存在類星體遺跡的預言。目前，通過恒星或氣體動力學的方法，人類已經測量了近50個近鄰星系內的中心黑洞質量。

　　TMT的大口徑、高空間分辨率、三維成像光譜觀測能力、高精度的天測能力將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領域産生極大的推動作用，並可能伴隨著對黑洞物理理解的重大突破。

　　4. 恒星形成

　　恒星形成是現代天文學的關鍵問題。恒星形成導致了宇宙中絕大部分可觀測結構和重元素的起源。要科學地理解恒星和它所構成的星系，我們要研究有關恒星形成中尚未解決的基本問題： 恒星形成與環境的關係，恒星形成的效率，以及恒星形成在星系演化中的作用。通過觀測銀河系、鄰近宇宙和高紅移宇宙裏恒星形成過程尤其是各系統的年輕星體，TMT對回答上述問題將有重大甚至革命性的貢獻。

　　5. 星系的形成和演化

　　儘管近20年來人類對於星系的研究取得了許多重要進展，但星系的形成和演化理論仍面對一些嚴峻挑戰。有了TMT，它的深度光譜數據將允許我們探討整個宇宙歷史中的星系特徵，以及它和暗物質成分、氣體分佈之間的關係。我們可以在非常高的精度上研究鄰近宇宙的物質分佈，可以極大地豐富我們對於星系恒星形成觸發、演化及中止這一整體過程的認知，研究宇宙極早期的星系形成活動。

　　6. 銀河系研究

　　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，併為宇宙年齡提供下限。

　　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，進而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和確定宇宙中鋰同位素的産生與演化等重要的天體物理學問題具有重要的作用。

　　7. 原初光源及宇宙再電離

　　探知宇宙最早期的“原初光源”是現代觀測宇宙學中最激動人心的課題之一。但目前世界上最大型的設備已無法勝任這種工作。而TMT有無與倫比的集光能力、空間分辨率和光譜分辨率，使我們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、大質量黑洞的形成歷程，在下一代大型設備對極高紅移宇宙的研究前沿中顯露特色。

　　（作者為中科院國家天文臺星系宇宙學部主任）