更新时间：2023-11-03 16:05
加那利大型望远镜（西班牙语：Gran Telescopio Canarias，简称 GranTeCan 或 GTC）是一架口径为10.4米的大型反射式光学望远镜，现位于西班牙加那利群岛中拉帕尔马岛穆查丘斯罗克天文台上。
GTC是由西班牙和墨西哥的多个机构、佛罗里达大学、墨西哥国立自治大学以及加那利天体物理研究所（IAC）共同建成。1987年，IAC首次提出构建一个大型望远镜的建设计划，并于2000年开始建造台址和望远镜圆顶，建设工作耗时7年，总费用达1.3亿欧元。直到2007年7月13日，IAC为GTC进行开光仪式，并取得第一幅影像。2009年3月16日，GTC进行首次科学观测，并开始其运行阶段。随着望远镜和仪器套件的发展，人们逐渐将更多时间投入到科学活动中。
GTC的主镜由36个六边形镜片组成，该望远镜采用了主动光学技术，以控制镜片的移动以及形变。GTC望远镜结构采用传统的地平式机架，可以观测天空中的任何一点。巨大的集光面积、优良的台址、功能多样且高度灵活的仪器选择，使GTC成为目前世界上规模最大、最先进的光学红外望远镜之一。
1987年，IAC首次提出构建一个大型望远镜的建设计划，该望远镜被称为加那利大型望远镜。该项目计划由西班牙和墨西哥的多个机构、佛罗里达大学、墨西哥国立自治大学以及IAC共同组成，涉及100家公司的1000多人。
望远镜台址位于西班牙加那利群岛中的拉帕尔马岛，平均海拔2300米，台址建筑和望远镜圆顶于2000年开始建造。由于天气条件恶劣加上所处地区偏远，导致项目安装工作进展缓慢。GTC建设工作耗时7年，总费用达1.3亿欧元。直到2007年7月13日，IAC为GTC进行开光仪式，并取得第一幅影像。2009年3月16日，GTC进行首次科学观测，并开始其运行阶段。2009年7月24日，西班牙国王胡安·卡洛斯一世（西班牙语：Juan CarlosI）为GTC主持开幕，标志着GTC正式启用。
随着GTC和光谱仪器套件的发展，人们逐渐将更多时间投入到科学活动中。GTC大约80%的时间将用于科学观察，剩下的时间主要用于扩展和改进望远镜的功能以及新仪器和观测模式的调试。
GTC望远镜采用R-C光学系统，主镜由36块六角形拼接子镜组成，每块子镜重量450公斤，厚度只有8毫米。除主镜M1之外还有一个副镜M2和一个三级镜M3，三面镜子共同协作将光学信号汇聚到所选择的焦点处，然后放置在焦点上的科学仪器对光线进行收集和分析并存储最终数据。
为了获得更好的成像质量，GTC采用了主动光学技术，通过该技术保证了36块拼接子镜的面型和相互位置，使它们能够形成满足要求的10.4米望远镜主镜。另外通过该技术也能够校正主镜和副镜由于环境、温度变化、重力作用以及加工误差引起的相互位置偏差。在未来GTC将升级使用自适应光学技术，通过快速地校正可变形镜子（每秒可达1000次）使得望远镜能够纠正大气湍流带来的影响从而获得更高的光学成像质量。
GTC望远镜结构采用传统的地平式装置机架，大部分结构采用杆材，这样的设计在保证足够刚度的前提下，可以大大降低望远镜重量，进而有利于望远镜的驱动系统和整体装调，另外采用这种杆材结构，可以大大降低风载和加速整个结构的热平衡，进而减小风载对望远镜控制系统的扰动，有利于获得高精度的望远镜控制。此外，整个望远镜方位轴转动部分的重量只有400吨。望远镜采用液体静压轴承支撑，液体静压轴承具有非常小的摩擦阻力，在400吨载荷作用下，用一只手就可以推动整个望远镜，为实现高精度的望远镜控制创造条件。
整个望远镜采用自动化的远程控制，观测人员可以不需要到现场，通过互联网就能操控整个望远镜，大大提高工作效率和降低运行成本。
通过仪器提供尖端数据的能力是任何望远镜装置在科学上取得成功的一个决定性因素，而GTC也拥有较多的仪器开发计划。GTC目前可以为Nasmyth焦点配备两台仪器，折叠卡塞格林焦点配备三台仪器，卡塞格林主焦点则配备一台仪器。此外，为了最大限度地提高GTC的科学回报，GTC接受访客仪器，这也为GTC带来更多的附加功能。
第一个用于科学用途的仪器是OSIRIS（波长为0.36-1微米，光谱分辨率为300-2500），它于2009年3月开始运行。OSIRIS在光学波段范围内工作，可用于高质量成像和长缝以及多目标光谱研究。OSIRIS在2022年中期转移到了卡塞格林焦点站运行，并于2022年底安装新型单片蓝敏探测器，提高了OSIRIS仪器的灵敏度（ OSIRIS+ ）。
第二台仪器CanariCam（波长为8-25微米，光谱分辨率175至1300）于2012年上线，是一款热红外相机和分光光度计，具有偏振测量和日冕学功能。2016年4月，将CanariCam从Nasmyth A焦点站移到Folded Cass-E焦点站中与其他仪器共享该焦点站。2019年至2020年间，CanariCam在Folded Cass-E中经过两年的高效运转后，最终于2021年2月退役。
EMIR（波长为1 - 2.5，光谱分辨率 1000/4000-5000），它是一种近红外多目标光谱仪和红外成像仪。由IAC领导的一个财团开发，于2016年抵达GTC进行调试，并于2017年中期开始常规运行。凭借其低温可配置狭缝单元和中等光谱分辨率，该仪器有望成为GTC主力仪器之一。2024年初，为解决EMIR仪器灵敏度不足的问题安装了新的H2RG探测器。
FRIDA（波长为1-2.5微米，光谱分辨率为1500-30000）是另一个正在开发的GTC工具，通过GTC自适应光学系统，能够在宽带和窄带滤光片中拍照，并促进0.9-2.5μm光谱范围内的积分场光谱分析。该仪器由墨西哥国立自治大学天文学研究所（UNAM）、加那利天体物理研究所（IAC）、佛罗里达大学（UF）和马德里康普顿斯大学（UCM）合作领导的一个项目。该仪器正处于建造阶段，预计于2024年年底抵达GTC，并于2025年中期开始正常运行。
MEGARA（波长为0.4-1微米，光谱分辨率为5500-20000）于2017年8月成功完成调试，并于2018年中期开始正常运营，通过可定位光纤同时检测多达 100 个物体。MIRADAS（波长为1-2.5微米，光谱分辨率为20000）于2022年中期安装在GTC中，预计在2024年末开始正常运行，通过可展开的探头臂最多可探测12个目标，每个目标提供3.7x1.2角秒的视野。
GTC目前的仪器计划将于2025年左右完成。届时，GTC一大套焦点站将配备六七台科学仪器，将保证望远镜数年的科学竞争力。但定义和构建新工具是一个复杂的过程，至少需要五年时间，预计到 2030 年左右开始运行。
第一个访客仪器CIRCE（波长为1-2.5微米，光谱分辨率为1000/4000-5000），由Eikenberry教授倡议设计和建造，并于2015年投入使用，能为望远镜提供重要的近红外成像能力。该仪器可针对光谱进行升级，虽然它在形式上是一种访问工具，但自2015年9月起仍然向广大社区提供了两年，后于2017年9月退役。
2017年底，GTC接收了HiPERCAM仪器（波长为0.36-1微米），并于2018年2月开始运行。该仪器是用于研究宇宙快速变化的高速相机，它将能够以每秒超过1000帧的速率在5个光学通道中同时成像。2021年4月至2021年9月，HiPERCAM仪器返回在FoldedCass-E上投入使用。2023年5月，永久安装在FoldedCass-G上。
第三个访客仪器HORuS（波长为0.4-0.7微米，光谱分辨率25000）是由加那利天体物理研究所（PI：Carlos Allende Prieto博士）研发，该仪器可提供光学波长范围内点源的高分辨率光谱。HORuS于2019年7月开始运行，直到2021年8月OSIRIS迁移到卡塞格林焦点站后退役。
视向速度方法，又称“多普勒光谱学”，其原理是测量恒星收到行星的引力扰动而引起的视向速度变化。美国航空航天局（NASA）发射的开普勒太空望远镜及其后续任务K2采用“凌星法”发现了数以千计的系外行星。但是在已经发现的太阳周围的宜居类地行星候选体中，相当大一部分还没有得到证认。它们引起的主星视向速度变化幅度极小（通常只有几厘米/秒）、轨道周期比较长（通常大于300天），并且主星的视星等比较暗弱（通常暗于11等）。因此下一代视向速度测量仪器需要具有高分辨率、稳定的环境控制、以及大口径的望远镜。为GTC研发高分辨率超稳定光谱仪，视向速度精度可以达到10厘米/秒的量级，天文学家利用它有望探测类太阳星周围的宜居带里的低质量行星，即“开普勒452b”。
研究系外行星大气最常用的方法是测量凌星行星的“透射谱”。这种方法可以揭示系外行星大气的一些重要的物理和化学性质，例如是否存在原子、分子，是否有云层、尘埃或雾霾，大气中是否存在逆温层、是否有风、以及“逃逸流”等等。高分辨、高信噪比的透射谱是研究系外行星大气极其重要的诊断工具，能够揭示其中发生的一些有趣的物理过程。这项研究的难点之一是如何在较短的凌星时间内获得信噪比足够高的透射光谱。而GTC的大口径结合高分辨率的分光光度计使这项研究成为可能。
开普勒式望远镜发现的凌星行星候选体中，超过80%是半径介于地球1.0到4.0倍之间的行星。但是这样的所谓“亚海王星行星”在太阳系中并不存在。开普勒太空望远镜发现了数目众多的行星候选体，但是其中很多并不能单纯依靠凌星方法测量质量。如果能够测量这些行星的质量，和半径参数结合到一起，就能直接求出这些行星的平均密度，进而就能限制它们的化学组成和形成机制。GTC与高精度、超稳定分光光度计相结合，未来有望在该领域取得领先地位。
行星公转轨道平面与恒星的自转平面之间的夹角可以反应有关行星系演化的信息。当凌星行星运动到主星的圆面前方时，可以观测到主星的视向速度有一个波动，这种现象称为“罗西特-马克劳夫林效应”（简写为RM效应），已经被成功地用于测量了几十颗行星的轨道倾角下限，发现很多行星的轨道倾角很小，还有一些行星是在“极轨道”上绕恒星公转的，甚至有反向公转的行星。这种效应对于热木星来说比较容易观测，但是对半径比较小的行星，以及多行星系统却非常困难。例如对于海王星大小的行星HAT-P-11b，其RM效应的振幅只有1.5米/秒。通过GTC的大口径可以测量多行星系，以及超级地球大小的行星的轨道倾角。
随着大规模测光和光谱中国空间站工程巡天望远镜的快速进展，新的极端贫金属星不断被发现，金属丰度下限不断刷新，该领域得到了快速的发展。例如LAMOST望远镜巡天已经找到了数以万计的极端贫金属星，甚至有一些金属丰度（[Fe/H]）5.0的恒星。利用GTC巨大的集光面积，天文学家可以深入地研究这些古老的化石恒星，极大地增进对早期宇宙以及元素核合成过程的认识。
近年来以LAMOST和SkyMapper为代表的大视场巡天项目发现了很多值得深入研究的古老恒星。利用GTC的超强集光能力，天文学家只需要几个小时就能获得这些恒星信噪比大于500的光谱，可以用同位素方法测量它们的年龄。铀在恒星中的谱线很弱，要想测量到这些谱线，需要高信噪比的光谱和5万以上的分辨率。这些光谱还可以用来研究快中子过程元素增丰的贫金属星，进而为快中子模型（例如双中子星并合模型）和元素核合成模型提供有力的限制。最终，可以建立一个恒星重元素丰度的数据库，该数据库不仅检验宇宙学模型，还能够增进对宇宙中各种元素产生过程的认识。
银河系的晕为比较星系形成模型和ΛCDM框架下的分层并合模型提供了独特的实验室。理解银河系晕的形成和演化是当代天体物理学中的一个重大课题。研究银河系晕族恒星的化学组成、空间分布和运动能够回答很多重要的问题，例如银河系的质量分布情况、卫星系的吸积等。GTC可以详细测量银河系晕中的遥远恒星的化学元素丰度，进而研究卫星系的吸积在银河系晕的起源中扮演了什么样的角色。
测量恒星的同位素丰度可以洞察不同的场所发生的核合成过程、银河系的化学演化、恒星中发生的元素混合和扩散过程，以及恒星的演化。一般来说，一种元素的不同同位素是在特定的核反应中形成的。在可见光波段，同一种元素的不同同位素产生的谱线相互重叠，相对位移很小，因此探测极为困难。利用GTC以及高精度、高分辨率（R>90,000）的分光光度计，可以获得恒星的高信噪比光谱，进而测量很多元素的同位素位移。
在物理学中，基本常数如精细结构常数（α）和质子与电子的质量比（μ）通常被认为是在宇宙中一致不变的。实验室使用原子钟可以将精细结构常数（α）和质子与电子的质量比（μ）的变化率精确到<10~16年，而天文观测可以在更长的时间尺度（120亿年）和更大的空间尺度（150亿秒差距）上进行测量，进而对物理常数的变化更加敏感。通过测量遥远的类星体的谱线，可以测量到这些常数在宇宙历史上相当长一段时间内的变化。利用10米望远镜的优势，天文学家发现，精细结构常数（α）的数值可能在宇宙历史上变化了大约百万分之6。α和μ万分之一的数值变化引起的谱线位置变化大约相当于20米/秒。与前一代仪器相比，欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）上的ESPRESSO分光光度计可以将这两个常数的变化率的测量精度提高至少一个数量级。在10.4米口径的加那利大型望远镜上安装一台类似的仪器也可以精确测量α和μ的变化。
2016年初，以中国科学院国家天文台为首的研究团队利用LAMOST开展双星课题研究，该团队利用两年半的时间监测了一个小天区内3000多颗恒星。后经过研究发现在一个X射线辐射宁静的双星系统（LB-1）中，有一颗蓝色恒星正围绕“一个看不见”的天体做着周期性运动，他们认为这个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。研究人员随即利用西班牙10.4米加那利大型望远镜和美国10米凯克望远镜，进一步确认了LB-1的光谱性质，计算出该黑洞的质量是太阳的70倍。
通过使用GTC对位于仙女星系（M31）不同区域的10个行星状星云（PNe）进行深度光谱观测，在所有PNe中都观察到了温度敏感的[O iii] 4363线。根据这些光谱，推断出这些PNe可能都源自低质量（<2 M☉）的恒星，并且通过使用最新的后期渐进巨星分支（AGB）演化模型进行分析，推测这些PNe可能是在持续的星系形成过程中形成的，或者是在与外盘PNe相同的金属丰富气体中形成，但由于星系相互作用而被移到它们现在的位置。
2024年，加那利天体物理研究所（IAC）和马德里康普顿斯大学（UCM）的一个研究小组首次通过GTC观测并描述了2023FW14号天体，这是一颗与火星共享轨道的特洛伊小行星。这颗红色行星是继木星之后拥有已知特洛伊小行星数量最多的行星，新加入的特洛伊小行星有17颗。增加已知火星"特洛伊木马"的数量使研究人员能够加深对这些物体的了解，同时，研究真实的"特洛伊木马"而不仅仅是数学预测的"特洛伊木马"，还可以检验理论模型的可靠性。
2016年9月5日，时任中国科学院国家天文台台长严俊与西班牙GTC台长Romano Corradi在马德里签署了双边合作协议。根据这一协议，双方将在GTC上进行科研观测及仪器研发合作。中国科学院国家天文台有望通过仪器贡献，实现加入GTC的5%份额的计划。此外，中国科学院国家天文台还与GTC探讨了基于欧洲太阳望远镜EST以及利物浦4米自动望远镜的合作可能，并针对TMT（三十米望远镜）项目的建设进行了交流。
2019年5月，时任中国科学院副院长的张涛访问西班牙GTC和IAC。 深入调研了西班牙与中国的天文合作进展，考察了西班牙10.4米GTC的观测运行情况。同时，参加了GTC的夜间观测，对国家天文台申请使用GTC观测的科学目标及双方科研合作所取得的成果做了深入了解，进一步促进了“一带一路”框架下继续深入开展中西天文合作。
2019年8月1日，西班牙GTC天文台正式签发了《概念设计评审报告》的官方接受文件，这标志着中国团队提出的GTC高分辨率超稳定光谱仪（GTC高分辨率超稳定光谱仪是GTC望远镜第二代大型科学仪器之一，核心科学研究包括太阳系外行星、恒星化学丰度、同位素、物理常量等）概念方案顺利通过国际评审。