給“明星”做“人口普查”，LAMOST憑啥

在LAMOST建成之前，人類通過拍照觀測的天體已達(dá)上百億個(gè)，但進(jìn)行過光譜觀測的天體僅占萬分之一。LAMOST開拓了國際天文領(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。

夜幕降臨，萬物俱寂。靜謐的燕山之巔，一只“巨眼”緩緩睜開，眺望浩渺星空，追尋宇宙奧秘。這只“眼”就是中國科學(xué)院國家天文臺的國家重大科學(xué)工程——郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）。

日前，LAMOST的1年先導(dǎo)巡天和8年正式巡天的數(shù)據(jù)集對國內(nèi)天文學(xué)家和國際合作者發(fā)布。其包含約1700萬條光譜、775萬組恒星參數(shù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度達(dá)到國際先進(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曾立下過哪些赫赫戰(zhàn)功？它的下一步觀測計(jì)劃是什么？針對這一系列問題，LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任趙永恒接受了專訪。

為恒星登記造冊 打造銀河系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

LAMOST是“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”的英文簡稱。通過國家驗(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)明過多種觀測儀器的元代天文學(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，而是獲取它要觀測的每一顆星的光譜信息。

1825年，法國哲學(xué)家孔德斷言：“恒星的化學(xué)組成是人類絕不能得到的知識。”然而不久后，這一判斷便被無情推翻。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性。從那時(shí)起，人們才意識到，原來遙遠(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月開始正式巡天，截至2020年6月，已走過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。

海量、繁雜的光譜巡天數(shù)據(jù)通過處理和質(zhì)量分析等工作后，將分門別類地貼上相應(yīng)“標(biāo)簽”，歸入數(shù)據(jù)庫，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)布搭建了專門的數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，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 開創(chuàng)大規(guī)模光譜巡天先河

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

每年，LAMOST都會公布它的最新數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)最先是向國內(nèi)天文學(xué)家和國際合作者開放，一年半后會向全社會開放。

這些向全社會開放的數(shù)據(jù)所創(chuàng)造的研究價(jià)值驚人。“我們做過一項(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，發(fā)現(xiàn)約1/3的成果都是利用其全部開放的數(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)證了共享觀測數(shù)據(jù)對于促進(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敲矗瑔栴}來了。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)：主動光學(xué)技術(shù)和并行可控式光纖定位技術(shù)。古人云，魚和熊掌不可兼得。對于望遠(yuǎn)鏡而言，大口徑意味著“看得清”，大視場會“看得多”，二者就是一對魚和熊掌的矛盾體。而上述兩大技術(shù)讓LAMOST看得既清又多。

主動光學(xué)技術(shù)是主動改變鏡片形狀，“自動聚焦”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)鏡大口徑與大視場難以兼得的瓶頸，令其成為世界上口徑最大的大視場兼大口徑及光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。

早前，一臺光譜望遠(yuǎn)鏡同一時(shí)間只能觀測一個(gè)天體。后來，隨著科技的發(fā)展，光譜望遠(yuǎn)鏡的同期觀測數(shù)量才逐漸多起來。直到LAMOST建成前夕，國際上同類設(shè)備一次最多能觀測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，隨之展開觀測。

此前，國際上常用的是人工擺放光纖等做法，動輒耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)。且每次更換觀測天區(qū)前，都要對標(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，全部由中國科學(xué)家完成。在它建成之前，人類通過拍照觀測的天體已達(dá)上百億個(gè)，但進(jìn)行過光譜觀測的天體僅占萬分之一。”趙永恒指出，LAMOST開拓了國際天文領(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。

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)家改寫了以往科學(xué)界對銀河系大小的認(rèn)識，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。

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。如銀盤恒星類型分析、恒星如何演化、星系并合過程分析、確認(rèn)某顆恒星是“土著居民”還是“星系際移民”等等。

對于特殊天體的研究，LAMOST也十分給力。例如，借助LAMOST巡天優(yōu)勢，研究人員發(fā)現(xiàn)一顆恒星級黑洞。該成果顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認(rèn)知，有望推動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)上萬顆富鋰巨星候選體，構(gòu)建了目前國際上數(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。觀測任務(wù)也有所不同，一期旨在“掃視”，大致繪制出觀測天區(qū)的星圖;二期重在“注視”，對感興趣的區(qū)域重點(diǎn)觀測。

趙永恒表示，當(dāng)下正處于LAMOST二期巡天階段，每年將有200萬～300萬光譜數(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2000萬條。