进入新世纪，人类面临探索宇宙的更大挑战与机遇：要阐明宇宙起源及其物质组成、揭示暗物质和暗能量的本质、寻找地外生命与文明等自然科学最重大的基本问题。ＴＭＴ的探测深度将是当代望远镜的１０—１００倍，空间分辨率则是哈勃空间望远镜的12倍，其强大的宇宙洞察能力必将引发天文学研究的飞跃发展。TMT的设计者期望在其建成后将在以下七大前沿科学领域取得重大突破性进展。
1. 系外行星探测和性质的研究
寻找地球以外适合人类生存的环境一直是人类的梦想。20世纪末，人类首次在系外主序恒星飞马座51号周围探测到行星的存在。TMT独特的视向速度精度和直接成像技术，可以探测到太阳系外行星系统从轨道周期几天到几百年的行星，如此完整的样本对于行星系统的形成理论以及统计力学研究具有重要意义，由此可以进行比较行星学研究，进一步探索可居住行星的普遍性，这对研究生命起源与繁殖具有重要意义。
2. 基础宇宙学
寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘，结合了粒子物理和宇宙学两大学科的研究已成为21世纪天文学和物理学的一个重要趋势。世界各国都在组织力量，积极开展理论研究，策划（天体）粒子物理实验和大规模天文巡天项目，以推动这一重大交叉学科的发展。TMT因具有从光学到近红外波段的极其强大的观测能力，将在宇宙学研究的前沿发挥关键作用。
3. 黑洞的形成和演化
过去20年中在黑洞领域的重大发现之一是观测证明在近邻的正常星系中心存在大质量黑洞。这一发现证实了在上个世纪60年代提出的在近邻宇宙中存在类星体遗迹的预言。目前，通过恒星或气体动力学的方法，人类已经测量了近50个近邻星系内的中心黑洞质量。
TMT的大口径、高空间分辨率、三维成像光谱观测能力、高精度的天测能力将在近邻宇宙中黑洞探测、银河系中心黑洞、高红移黑洞和活动星系核等相关领域产生极大的推动作用，并可能伴随着对黑洞物理理解的重大突破。
4. 恒星形成
恒星形成是现代天文学的关键问题。恒星形成导致了宇宙中绝大部分可观测结构和重元素的起源。要科学地理解恒星和它所构成的星系，我们要研究有关恒星形成中尚未解决的基本问题： 恒星形成与环境的关系，恒星形成的效率，以及恒星形成在星系演化中的作用。通过观测银河系、邻近宇宙和高红移宇宙里恒星形成过程尤其是各系统的年轻星体，TMT对回答上述问题将有重大甚至革命性的贡献。
5. 星系的形成和演化
尽管近20年来人类对于星系的研究取得了许多重要进展，但星系的形成和演化理论仍面对一些严峻挑战。有了TMT，它的深度光谱数据将允许我们探讨整个宇宙历史中的星系特征，以及它和暗物质成分、气体分布之间的关系。我们可以在非常高的精度上研究邻近宇宙的物质分布，可以极大地丰富我们对于星系恒星形成触发、演化及中止这一整体过程的认知，研究宇宙极早期的星系形成活动。
6. 银河系研究
银河系的年龄表明，它在宇宙很早期就形成了，因此我们可以期望利用TMT在银河系中寻找第一代恒星和银河系早期的演化历史，并为宇宙年龄提供下限。
利用TMT，我们可以得到非常高分辨率的恒星光谱，这对研究恒星中许多元素的同位素丰度非常有益，进而对更好地理解元素核合成、中子俘获过程在银河系早期的相对贡献和确定宇宙中锂同位素的产生与演化等重要的天体物理学问题具有重要的作用。
7. 原初光源及宇宙再电离
探知宇宙最早期的“原初光源”是现代观测宇宙学中最激动人心的课题之一。但目前世界上最大型的设备已无法胜任这种工作。而TMT有无与伦比的集光能力、空间分辨率和光谱分辨率，使我们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、大质量黑洞的形成历程，在下一代大型设备对极高红移宇宙的研究前沿中显露特色。
（作者为中科院国家天文台星系宇宙学部主任）
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