給“明星”做“人口普查”，光譜望遠(yuǎn)鏡LAMOST憑啥？

在LAMOST建成之前，人類(lèi)通過(guò)拍照觀測(cè)的天體已達(dá)上百億個(gè)，但進(jìn)行過(guò)光譜觀測(cè)的天體僅占萬(wàn)分之一。LAMOST開(kāi)拓了國(guó)際天文領(lǐng)域大規(guī)模光譜巡天的先河。自此以后，天體光譜數(shù)據(jù)呈井噴式增長(zhǎng)。

趙永恒

LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任

夜幕降臨，萬(wàn)物俱寂。靜謐的燕山之巔，一只“巨眼”緩緩睜開(kāi)，眺望浩渺星空，追尋宇宙奧秘。這只“眼”就是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的國(guó)家重大科學(xué)工程——郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)。

近日，LAMOST的1年先導(dǎo)巡天和8年正式巡天的數(shù)據(jù)集對(duì)國(guó)內(nèi)天文學(xué)家和國(guó)際合作者發(fā)布。其包含約1700萬(wàn)條光譜、775萬(wàn)組恒星參數(shù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

此次發(fā)布的數(shù)據(jù)有何特點(diǎn)?光譜望遠(yuǎn)鏡“領(lǐng)頭羊”LAMOST曾立下過(guò)哪些赫赫戰(zhàn)功?它的下一步觀測(cè)計(jì)劃是什么?帶著一系列問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者專訪了LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任趙永恒。

為恒星登記造冊(cè)打造銀河系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

LAMOST是“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”的英文簡(jiǎn)稱。通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收后不久，它被正式冠名為“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”。而郭守敬是一位發(fā)明過(guò)多種觀測(cè)儀器的元代天文學(xué)家。

LAMOST“看”什么?恒星。

與傳統(tǒng)的“照相式”天文望遠(yuǎn)鏡不同，LAMOST不是給某一片天區(qū)的恒星們拍合照，而是獲取它要觀測(cè)的每一顆星的光譜信息。

1825年，法國(guó)哲學(xué)家孔德斷言：“恒星的化學(xué)組成是人類(lèi)絕不能得到的知識(shí)。”然而不久后，這一判斷便被無(wú)情推翻。彼時(shí)，光譜學(xué)誕生，天體物理學(xué)從此正式成為天文學(xué)的一個(gè)重要分支。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，每個(gè)化學(xué)元素都有自己獨(dú)特的光譜曲線，就如同身份證一般具有辨識(shí)性。從那時(shí)起，人們才意識(shí)到，原來(lái)遙遠(yuǎn)而神秘的星光歷經(jīng)漫漫星際旅行，滿身風(fēng)塵跌跌撞撞投進(jìn)地球懷里，帶來(lái)的不僅僅是“它在那里”的消息，還有“它以什么形式在那里”的諸多秘密。

基于光譜分析，從這簇星光中，我們不僅能發(fā)現(xiàn)恒星的化學(xué)組成和元素豐度，還能推出它的許多性質(zhì)，例如天體類(lèi)型、距離、視向速度、物理?xiàng)l件(溫度、密度、壓強(qiáng)等)、天體年齡等，從大量天體的光譜觀測(cè)中還可以發(fā)現(xiàn)許多特殊的天體和天文現(xiàn)象。

為此，趙永恒將光譜望遠(yuǎn)鏡LAMOST的工作形象地比喻成為恒星做“人口普查”。

而所有這些，都將服務(wù)于LAMOST設(shè)立之初的三大科學(xué)目標(biāo)：研究銀河系結(jié)構(gòu)和演化、星系和宇宙學(xué)，以及多波段目標(biāo)證認(rèn)。

自2011—2012年先導(dǎo)巡天完成后，LAMOST從2012年9月開(kāi)始正式巡天，截至2020年6月，已走過(guò)8個(gè)年頭。

“此次，我們更新了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，花了9個(gè)月的時(shí)間，將1年先導(dǎo)巡天和8年正式巡天的數(shù)據(jù)全部重新處理一遍，保障了巡天數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性、一致性和完整性，方便研究人員取用。”趙永恒說(shuō)。

海量、繁雜的光譜巡天數(shù)據(jù)通過(guò)處理和質(zhì)量分析等工作后，將分門(mén)別類(lèi)地貼上相應(yīng)“標(biāo)簽”，歸入數(shù)據(jù)庫(kù)，成為構(gòu)建“數(shù)字銀河系”的重要基石，等待科學(xué)家們調(diào)取、研究。

據(jù)悉，國(guó)家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心為此次數(shù)據(jù)發(fā)布搭建了專門(mén)的數(shù)據(jù)發(fā)布平臺(tái)，科學(xué)用戶可登錄網(wǎng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和下載。

看得既清且多開(kāi)創(chuàng)大規(guī)模光譜巡天先河

開(kāi)放與共享是天文學(xué)界的優(yōu)良傳統(tǒng)，更被LAMOST一以貫之。

每年，LAMOST都會(huì)公布它的最新數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)最先是向國(guó)內(nèi)天文學(xué)家和國(guó)際合作者開(kāi)放，一年半后會(huì)向全社會(huì)開(kāi)放。

這些向全社會(huì)開(kāi)放的數(shù)據(jù)所創(chuàng)造的研究?jī)r(jià)值驚人。“我們做過(guò)一項(xiàng)調(diào)查，將使用LAMOST數(shù)據(jù)發(fā)表研究成果的論文檢索出來(lái)，發(fā)現(xiàn)約1/3的成果都是利用其全部開(kāi)放的數(shù)據(jù)研究所得。”趙永恒介紹。同一個(gè)宇宙，同一片星空。這一調(diào)查結(jié)果再次驗(yàn)證了共享觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于促進(jìn)宇宙認(rèn)知的重要意義，另一方面也顯示出，LAMOST基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)就像一座富礦，等待著淘金的冒險(xiǎn)家們?nèi)ゲ粩嗤诰颉Ｄ敲矗瑔?wèn)題來(lái)了。LAMOST究竟有何手段，能夠獲取到諸多高價(jià)值數(shù)據(jù)?

趙永恒指出，LAMOST有兩大創(chuàng)新技術(shù)：主動(dòng)光學(xué)技術(shù)和并行可控式光纖定位技術(shù)。古人云，魚(yú)和熊掌不可兼得。對(duì)于望遠(yuǎn)鏡而言，大口徑意味著“看得清”，大視場(chǎng)會(huì)“看得多”，二者就是一對(duì)魚(yú)和熊掌的矛盾體。而上述兩大技術(shù)讓LAMOST看得既清又多。

主動(dòng)光學(xué)技術(shù)是主動(dòng)改變鏡片形狀，“自動(dòng)聚焦”讓成像更加清晰。LAMOST創(chuàng)造性地應(yīng)用此技術(shù)，突破了望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場(chǎng)難以兼得的瓶頸，令其成為世界上口徑最大的大視場(chǎng)兼大口徑及光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。

早前，一臺(tái)光譜望遠(yuǎn)鏡同一時(shí)間只能觀測(cè)一個(gè)天體。后來(lái)，隨著科技的發(fā)展，光譜望遠(yuǎn)鏡的同期觀測(cè)數(shù)量才逐漸多起來(lái)。直到LAMOST建成前夕，國(guó)際上同類(lèi)設(shè)備一次最多能觀測(cè)640個(gè)天體。LAMOST呢?答案是4000個(gè)。

1.75米的焦面板上密密麻麻地安插著4000根光纖，LAMOST自動(dòng)光纖定位系統(tǒng)可在數(shù)分鐘的時(shí)間內(nèi)將光纖按星表位置精確定位，隨之展開(kāi)觀測(cè)。

此前，國(guó)際上常用的是人工擺放光纖等做法，動(dòng)輒耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)。且每次更換觀測(cè)天區(qū)前，都要對(duì)標(biāo)星表位置調(diào)整光纖位置，不僅耗時(shí)耗力，定位精度也差。而LAMOST光纖定位誤差不超過(guò)40微米，比一根頭發(fā)絲還要細(xì)。

“LAMOST復(fù)雜的設(shè)計(jì)和制造，全部由中國(guó)科學(xué)家完成。在它建成之前，人類(lèi)通過(guò)拍照觀測(cè)的天體已達(dá)上百億個(gè)，但進(jìn)行過(guò)光譜觀測(cè)的天體僅占萬(wàn)分之一。”趙永恒指出，LAMOST開(kāi)拓了國(guó)際天文領(lǐng)域大規(guī)模光譜巡天的先河。自此以后，天體光譜數(shù)據(jù)呈井噴式增長(zhǎng)。

多領(lǐng)域碩果累累二期巡天詳繪璀璨星圖

從LAMOST數(shù)據(jù)庫(kù)的富礦里，科學(xué)家們已經(jīng)淘到了諸多寶藏。

在銀河系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域，基于LAMOST數(shù)據(jù)，科學(xué)家改寫(xiě)了以往學(xué)界對(duì)銀河系大小的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)銀河系比此前認(rèn)為的大一倍。另一代表性的成果是LAMOST重新確立了銀暈結(jié)構(gòu)新圖像。研究人員對(duì)恒星分布分析發(fā)現(xiàn)，銀暈內(nèi)部呈扁球形，外部則逐漸變成球形，恒星數(shù)密度以一種新的規(guī)律由內(nèi)向外減少。這一清晰的觀測(cè)證據(jù)推翻了前人關(guān)于恒星暈是一個(gè)軸比不變的扁球體的猜測(cè)。

在銀河系演化領(lǐng)域，基于LAMOST數(shù)據(jù)能做的研究五花八門(mén)。如銀盤(pán)恒星類(lèi)型分析、恒星如何演化、星系并合過(guò)程分析、確認(rèn)某顆恒星是“土著居民”還是“星系際移民”等等。

對(duì)于特殊天體的研究，LAMOST也十分給力。例如，借助LAMOST巡天優(yōu)勢(shì)，研究人員發(fā)現(xiàn)一顆恒星級(jí)黑洞。該成果顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，有望推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。LAMOST還發(fā)現(xiàn)了被稱為宇宙中“最大充電寶”的鋰元素含量最高的恒星。發(fā)現(xiàn)上萬(wàn)顆富鋰巨星候選體，構(gòu)建了目前國(guó)際上數(shù)據(jù)量最大的富鋰巨星樣本。

“基于LAMOST數(shù)據(jù)的研究成果多不勝數(shù)，以上僅是有代表性的幾例。”趙永恒介紹，LAMOST的觀測(cè)每5年為一個(gè)階段，并設(shè)立相應(yīng)目標(biāo)。2012—2017年為一期低分辨光譜巡天階段。2018—2023年為二期中分辨率光譜巡天階段，采用中、低分辨率交替進(jìn)行的光譜巡天模式。觀測(cè)任務(wù)也有所不同，一期旨在“掃視”，大致繪制出觀測(cè)天區(qū)的星圖;二期重在“注視”，對(duì)感興趣的區(qū)域重點(diǎn)觀測(cè)。

趙永恒表示，當(dāng)下正處于LAMOST二期巡天階段，每年將有200萬(wàn)—300萬(wàn)光譜數(shù)據(jù)的產(chǎn)出，預(yù)計(jì)到2022年，該望遠(yuǎn)鏡發(fā)布的光譜數(shù)量有望突破2000萬(wàn)條。(實(shí)習(xí)記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 明星 光譜望遠(yuǎn)鏡