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郭守敬千里镜,给银河系画张

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-11-08 23:06

图片 1根据斯隆数字化巡天绘制的银河系全貌。图片来源:SDSS

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从地球向我们母星系的外部望去 给银河系画张“半身像”

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今天,斯隆数字化巡天(SDSS)发布了最新版的公开数据,这是SDSS三期(SDSS-III)的最后一次数据发布。超过100TB的第12版数据(DR12)包含了对近5亿恒星和星系的相关测量,这是天文学历史上规模最大内容最为丰富的数据库之一。

位于美国西南部的斯隆数字巡天望远镜与星空遥相呼应

记者刘亚东摄

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热木星和热海星示意图。北京天文馆 马劲/绘制

“SDSS最惊人的特征是其广度——它使得众多开创性的研究成为可能。”SDSS-III的主任,美国哈佛-史密松天体物理中心的丹尼尔·爱森斯坦(Daniel Eisenstein)说,“我们搜索了邻近恒星来寻找行星,探索了我们银河系的历史,并测量了过去90亿年的宇宙加速膨胀历史。”

天文词典

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国之重器郭守敬望远镜时隔9年“憋大招”

经过10年的设计和建造,SDSS于1998年开始测绘宇宙,使用的是位于美国新墨西哥州阿帕奇波因特天文台(APO)的一台专用的2.5米口径斯隆基金会望远镜。项目的每一阶段都包括一组截然不同的天文巡天项目,使用的都是同一台望远镜,并配以一系列强有力的仪器设备。SDSS-III于2008年7月开始观测,2014年6月完成,整个项目共6年,耗资4500万美元。SDSS-III的合作团队包括来自全球各地的51家成员机构以及上千位科学家。

不久前,中国科学院国家天文台公布了我国自主研发的光谱巡天望远镜——郭守敬望远镜过去7年巡天的结果。在过去7年中,郭守敬望远镜共获得了1125万条恒星光谱,其中937万条光谱为高质量光谱,为国际上其他巡天项目的2倍左右。

郭守敬望远镜直径6米的主镜由37个六边形镜坯单元组成,它们是这个我国最大口径光学望远镜的核心部分。图片来自网络

银河系绝大多数恒星都集中在银盘上,太阳系位于银盘上较为外部的位置。

——重新“画像”银河系:从“二环”扩到“五环”

图片 8斯隆数学化巡天所使用的口径2.5米的望远镜。图片来源:加州理工学院

巡天是天文类新闻中的常见词语。那么,什么是巡天?它又能分为哪些种类?

在如何建设12米口径大望远镜的争论中,郭守敬望远镜躺枪了。这个我国迄今口径最大的光学望远镜屡屡被作为一个不太成功的案例提及。到底该如何评价它?参与该项目十年的研究人员有话说。

银河系是一个巨大的存在,如果有人从其核心区域的某颗行星上打电话到其黑暗的最外沿的另一颗行星,接电话的人至少需要数万年才收到那个微弱的通讯信号。除非天行者卢克、汗:索洛和莱娅公主的寿命以千万年计,否则浪漫、奇幻的《星球大战》故事完全不可能发生,银河帝国在巨大的数十万年计的时延面前只能是一盘散沙。

中国科学院国家天文台研究员、郭守敬望远镜运行和发展中心主任赵刚张开双臂举过头顶,在空中划过一个半弧:“就像是给银河系重新‘画像’,我们发现了一个更大的‘银盘’!”

SDSS-III将其2000个夜晚中的大部分都用于观测光谱:把来自恒星和星系的光由光纤导入光谱仪,光谱仪把光按不同波长分开,就如同棱镜把光分解为彩虹。“对于每一个天体,我们实际上都是在几千个不同的波长上测量光的强度,”运营APO天文台的美国新墨西哥州立大学的乔恩·霍兹曼(Jon Holtzman)说,“然后我们可以挑出由特定种类的原子和分子发出的光,从而可以测量恒星和星系的运动及其化学成分。”

将星空尽收眼底

郭守敬望远镜一直都是中国天文学家心中解不开的结——它是中国人主导的最大规模的天文巡天项目,在银河系研究领域走在了世界前列;它又是一个完全没有实现最初科学目标的项目。看到前一点的天文学家们会称许它的成功,看到后一点的则指摘它的失败。到底如何评价它,是失败了还是成功了,我们从中领悟到了什么?系统总结整个项目的经验和教训对今后中国规划大科学装置有着重大参考意义。

天文学家要了解如此巨大的恒星系统,揭开它运转百亿年生生不息的原因,要把全部天空各个方向、所有能看到的恒星光芒尽量收集在一起。但这并不简单。从赫歇尔到沙普利再到现代的无数科学家,都在为认识银河系不断努力。近年来,我国的郭守敬望远镜聚焦银河系,更新着人类对它的认知。比如最近,LAMOST给银河系银盘绘制了更精确的“半身像”,发现它比过去认识的还要大。

学界原本认为的银河系半径是5万光年,到2017年,一下子就“扩大”到6.2万光年, 2018年,半径再次“扩大”到10万光年——“这就好比银河系从‘二环’扩建到‘五环’。”赵刚打了这样一个比方。

“检测恒星中的元素就像是读取恒星的DNA,”美国弗吉尼亚大学的史蒂芬·马耶夫斯基(Steven Majewski)说,“我们通过读取观测到的恒星的DNA来解读银河系的历史。”

我们的地球位于太阳系,太阳系是银河系中一个非常普通的恒星系统,银河系中有几千亿颗和太阳类似的恒星。而广袤的宇宙中又有无数类似于银河系的星系。众多星系中,有的稳定发光,有的爆发性地发光;各星系内部,又不断有恒星诞生、演化、死亡、爆炸。恒星的爆发又会发出大量光芒。为了对尽可能多的星系以及星系中可能的爆发现象进行系统观测,天文学家采用了无差别扫描的方式来观测它们,这就是天文巡天观测,简称巡天。

■沉沦

银河系绝大多数恒星都集中在一个巨大的扁平盘上,它被称为银盘。我们的太阳也处于这个盘子上,因此银盘在地球天空上的投影看上去就是一条银白色的光带。尽管几百年以前天文学家据此猜到了银河系长得像个盘子,但是对银盘的大小没有精确的测量。今天的教科书和科普读物中最常用的数值是银盘的半径大约有5万光年,这是一个很粗略的估计。而太阳系位于银盘上较为外部的位置,距离银河系中心约3万光年。除了银盘之外,还有大约十亿颗恒星分布在更大的包裹着银盘的一个椭球或球形空间内,称为“银晕”。银晕的恒星虽少,但是体积要大得多,半径可能超过了30万光年。

最先“看到”这种变化的,正是国家天文台所运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜——LAMOST。这个被称作世界上口径最大的大视场望远镜,曾经因为突破“天文望远镜大口径与大视场难以兼得”的世界级难题而成为举世瞩目的“天文明星”。在2009年6月通过国家验收之后,一度低调沉默,进入精密调试和试观测阶段。

马耶夫斯基是APOGEE项目的负责人。APOGEE全称“APO银河系演化实验”,是构成SDSS-III的4个子项目之一。通过观测红外波段来穿透尘埃云,APOGEE已经测量了超过10万颗恒星中的15种不同元素的分布,探测了银河系中的各个区域。“信息量是巨大的,”马耶夫斯基说,“每种元素都揭示了这一银河系剧本中的一部分情节。有时,角色间的互动非常惊人!”

根据巡天观测的天区范围,可以将巡天分为有目标巡天与无目标巡天。有目标巡天针对那些明亮的星系,逐点跳跃,定期观测列入表的星系,观测那些星系或者那些星系内的爆发现象。无目标巡天又被称为盲巡天,它的主要特征是对天空的所有可以扫到的区域进行逐块扫描,不仅观测了那些明亮星系,还观测了大量此前未被注意到的暗弱矮星系。过去十几年来,针对超新星等可见光辐射为主的一些变源,人们主要采用无目标巡天,因此发现的超新星数目比以前大大增加。

星系巡天曾是LAMOST的首要目标。然而,热切的希望被残酷的现实浇灭。由于观测极限星等远低于计划值,LAMOST实际获得的河外天体光谱数仅为原计划的2%。

在银盘上,恒星的分布是不均匀的,处于银盘中心的恒星远远多于在银盘外围的恒星。因此天空上的光之河也不是处处一样亮,夏天当银盘的中心区挂在夜空中的时候它就会显得更亮。这也是我们夏天更容易看到银河的原因。如果你去南半球旅行,在夏季无月的夜晚,天空上的银河愈加明亮,因为在南半球的天空可以看到整个银盘的中心区,而在北方只能看到很小一部分。

如今时隔9年,郭守敬望远镜历尽天文数字才能衡量的宇宙空间奔波,终于完成一期光谱巡天观测,迎来成果“爆发”。

除了APOGEE中的这些元素测量,SDSS的DR12还首次发布了来自MARVELS的数据。MARVELS全称为“多目标APO视向速度系外行星大天区巡天”,该项目负责人、美国佛罗里达大学的葛健(Jian Ge)解释说,它对3000颗恒星进行了反复观测来探测其前后移动,可以用来寻找前所未见的行星。“MARVELS是首个同时测量数十颗恒星的微小移动的大规模巡天,”葛健说,“这表示我们能以前所未有的方式来探测巨行星的整体特征。”

根据巡天望远镜接收的电磁波的波段,可以将巡天分为射电巡天、可见光巡天、红外巡天、X射线巡天与伽马射线巡天。比如1997到2002年之间进行的HIPASS项目,就是针对宇宙中的中性氢分子云进行的射电巡天,它采取的是盲巡天模式;暗能量巡天、兹威基巡天设备、泛星计划、ATLAS、LOSS、ASASSN、SDSS等巡天都是可见光巡天,且有的具有一定的近红外和近紫外观测能力。WISE是红外巡天中比较著名的一个探测器;费米伽马射线卫星是著名的伽马射线巡天卫星。

总体而言,LAMOST项目的经历如同坐过山车,从高端直堕低谷,再自低谷死而复生。

看上去似乎南半球的天文学家因地利之便更容易观察银河系。实际并不尽然。尽管银河中心区聚集了大量的恒星,但是要了解它的整体形状以及在百亿年间的长期演化,其外围的信息是不可或缺的。外围是指的银盘的外围以及银晕。这样住在北半球的天文学家也有很多事情可做了。

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藉由“重子振荡光谱巡天”(BOSS)所探测的星系和星系际氢,DR12还提供了宇宙结构的三维分布图。BOSS项目的负责人,劳伦斯伯克利国家实验室的大卫·施莱格尔(David Schlegel)解释说,“通过这些分布图,我们探测到了古老的声波痕迹,这些声波曾在大爆炸后的50万年间充满整个宇宙。”

有些巡天项目同时用到多个波段,如COSMOS巡天以哈勃太空望远镜上的高级巡天相机为核心,联合甚大射电望远镜阵列、XMM-牛顿X射线卫星、昴星团望远镜,覆盖了可见光、近紫外、近红外、射电与X射线多个波段,扫描一小块天区内的众多星系,用以研究宇宙的大尺度结构、暗物质与星系形成之谜等重要课题。

1997年立项期间撰写的LAMOST《项目可行性研究报告》提到,望远镜要“……达到每三年107个光谱的高生产率……在研究宇宙学、星系和恒星天文学中不断地有新的发现”。在具体阐述研究目标时,“宇宙大尺度结构”是其首要、重点目标。大多数中国实测和理论天文学家都曾经对此寄予厚望。直到2009年,项目的首要目标仍然为“包括北、南银冠区各250万个星系的巡天,150万个亮红星系巡天和约100万个类星体的观测”。然而到了2012年前后,测试观测和先导巡天的结果彻底打碎了这部分天文学家的梦,热切的希望瞬间被残酷的现实浇灭。

百名专家联手揭秘银河系

银河系下的LAMOST。国家天文台 陈颖为/摄

使用这些声波痕迹,BOSS团队以史无前例的精度追溯了90亿年跨度的宇宙史。据施莱格尔所述,他们的最终分析“将会对暗能量理论和加速膨胀宇宙做出最灵敏的测试”。最终分析结果将于今年晚些时候发布。

根据探测到的光的类型,巡天可以分为光度巡天和光谱巡天。前者只需要测出几种颜色的光,后者需要将进入望远镜的光先用光谱仪分解为超级细致的“彩虹”光——光谱,然后再进入相机系统。与变源相关的巡天采用的大多是光度巡天;而一些与星系、恒星有关的巡天会采用光谱巡天,如SDSS与开头提到的郭守敬望远镜,就是光谱巡天望远镜:SDSS致力于获得大量星系的光谱,郭守敬望远镜当前致力于获得大量恒星的光谱。

天文学家面临的现实情况是:望远镜无法实现既定目标,因为极限星等只能达到约18等,远低于计划的20.5等,探测极限仅仅为计划的十分之一。由于河外天体大多很暗,这样的探测能力根本无法对其开展有效观测。截至2017年6月,LAMOST实际共观测了上百万河外天体,但最终仅获得了15万个星系和5万个类星体有效光谱,仅为原定千万河外天体光谱的2%!和SDSS这个2.5米望远镜相比,它获得的星系光谱数目小了将近一个数量级。而SDSS已经在2010年完成了为期十年的巡天,在宇宙学和星系形成与演化等领域取得大量具有划时代意义的科学成果,并在2009年被评为最具影响力望远镜,就连“网红”哈勃空间望远镜也甘拜下风。在这样的背景下,完成星系、宇宙学的初始科学目标成了不可能完成的任务。

最早大规模研究北半球银河系的结构、并取得卓越成果的是美国的斯隆数字化巡天项目,它同时也被誉为世界上最有影响力的天文巡天观测项目。SDSS带来了很多关于银河系的颠覆性认识,其中最为有名的是它首次揭示了银河系的晕中存在大量的矮星系和潮汐星流结构。

有多强的“眼力”,才能给银河系“画像”?

图片 10SDSS所观测到的宇宙结构的一小部分。图片来源:SDSS

与通用望远镜合作观测

造成实测极限星等较差的原因是多方面的,但大体上无外乎两个方面:望远镜设计、安装没有达到原定指标;望远镜台址的气象条件不符合原定设想。

在二十一世纪第二个十年里,国际上接力SDSS的天文巡天项目有很多,其中我国天文学家主导的LAMOST银河系光谱巡天项目是效率最高的之一。

郭守敬望远镜是我国科学家自主创新研制的一架主动反射施密特天文望远镜。作为这台望远镜的管理和运行机构,中国科学院国家天文台前不久宣布,郭守敬望远镜共“产生”光谱901万条,其中高质量光谱777万条,确定534万组恒星光谱参数。

始于SDSS-II,完成于SDSS-III的斯隆银河系探索拓展项目(SEGUE)测量了约25万颗银河系内恒星的可见光光谱,“给我们带来了一份很棒的银河系外侧的结构分布图,”SDSS-III中的SEGUE领导人、美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的康斯坦丝·罗科西(Constance Rockosi)说,“结合APOGEE所带来的详尽的银河系内侧的景象,我们正得到银河系的全貌。”

巡天望远镜还常常与通用望远镜紧密合作。所谓通用望远镜,指的是那些根据精确位置进行对应观测的望远镜。一些巡天望远镜发现有价值的目标之后,将这些目标源的精确位置定出,使用通用望远镜的天文学家就可以根据那些目标源的精确位置进行后续观测,得到它们的光度演化与某些时期的光谱信息,从中提取重要信息。

《可行性研究报告》中提到,当视宁度为3角秒、天光亮度为21等/平方角秒时,LAMOST对于20.5等亮度的恒星信噪比仍可达到11.7。一般认为,信噪比超过10时光谱是可用的。实测中,在上述台址条件下,LAMOST并没有达到这一指标。仪器状态极端好的情形下曾经达到过极限星等19等。但这不具备实际价值,因为一年也没有几个晚上有如此好的运气。而LAMOST所在地河北兴隆常年监测数据表明视宁度平均在2角秒左右,无月夜的时候天光亮度也在20.5—21等/平方角秒,这与立项时对台址的预测差别不大,因此台址显然不能为观测性能下降背锅。

为了能够更好观察银河系,天文学家需要尽其所能捕捉更多恒星的各种电磁波信号。虽然SDSS获得了上亿颗恒星的亮度和颜色信息,但是只有60万颗恒星的光谱信息。相比之下,尽管LAMOST巡天仅观测恒星的光谱,但是它在短短五年时间里已经获得了将近800万条恒星光谱,比之前全世界天文学家获得的恒星光谱总和还要多!

“这些,可是世界上其他巡天项目发布光谱数总和的1.8倍!”赵刚说,这些数据集已于去年年底对国内天文学家和国际合作者发布。

第12版数据把SDSS-III的力量交到了公众手中,这些数据将推动未来数年的科学分析。“当SDSS开始之时,我们所做的一个最重要的决定就是我们会公开发布所有的数据,让每个人都可以使用它,”美国约翰斯·霍普金斯大学的亚历克斯·萨雷(Alex Szalay)说,“如今我们经常听到大数据的概念,而早在有人使用这个概念之前,SDSS就已经开展大数据天文学了。”约翰·霍普金斯大学开发了强大的在线界面,很多天文学家以及大量公众都由此访问SDSS数据。

比如,SDSS发现大量星系的光谱之后,相关的天文学家挑出那些比较反常的光谱,让哈勃太空望远镜观测其亮度特征,从中发现了多个由引力透镜引起的壮观的“爱因斯坦环”。再如,2017年双中子星并合导致的引力波事件发生后,地面上1米口径的Swope望远镜迅速扫描其可能存在的那些位置,发现了伴随这次引力波的可见光对应体——千新星,此后众多通用望远镜对这颗千新星进行后续观测,得到了700多个光度数据点和多条光谱,为人们细致研究中子星并合后的抛出物质的化学成分提供了强有力的工具。

此外,《可行性研究报告》中提到测天体的总效率,即天体单位时间发出的光子经过镜面反射、穿过光纤和光谱仪,在CCD器件上最终检测到的比例要达到16%。而实际上在开始巡天的头两年总效率仅能达到1%—3%,这么大的差距显然也不能全怪台址。

巨大的恒星观测数目只是万里长征的第一步,海量数据并不能自动告诉我们银河系的形状和性质。科学家还需要细致的数据筛选和严谨的统计分析。

相应地,从学术成果来看,我国科学家迄今利用郭守敬望远镜数据共发表SCI论文345篇,引用3000余次,一批高显示度的成果引起学界关注,这其中就包括给银河系重新“画像”。

随着SDSS四期的展开,斯隆数字化巡天还在全速前进。2014年7月启动的SDSS-IV将用下一个6年时间继续研究宇宙学、星系和银河系。“DR12是由数百人共同取得的巨大成就,”爱森斯坦说,“但是宇宙很大,有待观测的还有很多。”(编辑:Steed)

巡天观测有至少80年的历史。过去十几年来,更多更强有力的巡天设备投入运行,让天文学家发现了海量的珍贵数据。未来还有多个正在计划中的巡天计划会启动,如将于2022年开始正式运行的8米口径的巡天望远镜——LSST——每年会发现几十万个可见光爆发现象;将要升空的宽场红外巡天卫星和欧几里德红外卫星会对宇宙学的进一步发展作出重大贡献。

遗憾的是LAMOST运行6年多来没能形成一份客观、科学的技术分析报告,详细地阐述哪些问题是由于光学设计、安装调试等造成的,哪些是由台址造成的。因此,这个锅由谁来背始终难以定论。但是在没有科学依据的前提下,简单地把所有问题推给台址显然是有失公允的。

数据的分析和统计过程是漫长的,凝聚了很多人的努力,历时若干年头。首先,光谱需要做最基本的处理,将其从拍摄的数字图像中提取出来。LAMOST望远镜包含了16台光谱相机,每台相机的一幅图像包括大约两百条天体光谱,提取并对其做初步处理是一项细致而繁琐的工作。抽取出每条光谱之后,还要从中估算对应恒星的物理参数,包括恒星表面的温度、表面重力加速度、包含的金属成分的比例等。这些信息至关重要,因为下一步,天文学家们需要根据这些信息估计恒星的绝对亮度,再根据其他望远镜测量到的视亮度估算它到太阳的距离。

重新“画像”就要重新认识银河系的主体部分——银盘的大小。过去,天文学家普遍认为,银河系的中心附近存在一个棒状结构,外面呈现盘状结构、四周被较稀疏的恒星包裹,银盘在距离银河系中心约5万光年处有一个清晰的边界——在这个边界处,银盘恒星的数目骤然下降,如同银盘在此处被切割掉。

最后需要说明的是,有些巡天同时可以执行多种任务,比如,泛星计划和ATLAS,它们既扫描天空、监测到众多可能威胁地球的小行星,又发现了大量银河系外的爆发现象。(作者王善钦 单位:广西大学物理科学与工程技术学院)

■蜕变

不同恒星的绝对亮度可以相差十个数量级,也即100亿倍,但是同一个望远镜能观测到的视亮度范围仅有几百倍。这就带来了一个严重的问题,那些望远镜捕获到的很远的恒星都是绝对亮度很亮的恒星,而对很暗恒星的探测仅局限于很近的距离范围内。天文学上将这种选择效应称为马奎斯特偏离,它会严重影响对银河系的统计分析。因此接下来,天文学家们就要想方设法改善由此带来的统计偏差,尽量还原银河系真实的恒星分布情况,公平地统计很暗和很亮恒星的数目。最终,经过一百多名中外天文学家和工程师的漫长观测、数据处理和统计分析,银河系的神秘面纱终于被LAMOST数据逐渐揭开。

近年来,科学家在这个边界之外陆续发现一些属于银盘的年轻恒星,这似乎暗示“银盘的边界应该更大”。然而,要证实这点还需要对更多、更远的恒星进行统计。

在国内外专家的不懈努力下,LAMOST蜕变为一台脚踏实地、给银河系做“星口普查”的望远镜。按照它的观测能力,北半球天空仍然有一亿左右的恒星可供观测,它们中的99.99%都没有光谱数据。这仍然是一项世界级的工作。

通过应用复杂统计手段精确清点银河系外围恒星的数目,科学家成功绘制出银盘外围的空间结构剖面图。从图中可以看出,银盘的恒星数目虽然随着半径增加而减少,但并没有在5万光年处停下来,而是一直延伸到距离中心6.2万光年处。这比教科书上一直以来引用的半径大了约四分之一。

2017年年底,中国科学院国家天文台研究员刘超利用郭守敬望远镜的数据清点了银河系外围恒星的数目,更远处恒星光谱特征和盘上的一致,至此,银河系盘大小被拓展了25%,延伸到距离中心6.2万光年处。

恒星光谱的观测最初只是LAMOST巡天的一个很小的附属目标。自2007年起,这个小目标开始正式进入视野。2012年正式巡天开始之前,LAMOST巡天策略逐渐由宇宙大尺度结构为重点转变成了河外天体和恒星各占一半。而第三个科学目标多波段天体证认因为涉及观测源较少,对整体巡天策略影响较小。在当时,这实在是一个无奈的选择,因为看不到比SDSS巡天更暗的星系,如果恒星也不看,那LAMOST就可以直接搬进博物馆了。为此,LAMOST低分辨率光谱仪专门进行了改进,使得分辨本领有了一定提升,以“兼顾”恒星观测。

银河系的疆界因此向外拓展了很多。这就像是我们住在一个房子里很多年,突然有一天推开一扇尘封已久的大门,发现其实我们房子后面还有很大一个后院。这一发现不仅将改写教科书,还让天文学家们重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。

“这比教科书上一直以来引用的银河系半径大了约1/4。”刘超说。

尽管18等的极限星等依然对解决很多银河系的科学问题有很大掣肘,但在北半球天空仍然有一亿左右的恒星可供观测,它们中的99.99%都没有光谱数据。这么巨大的光谱样本仍然是一个世界级的工作。为了深入探讨LAMOST开展银河系巡天的科学意义,一个中美合作小组陆续开展了4年的预研,最终于2012年将有关银河系巡天的科学目标和巡天计划汇总成论文,发表在《天文学和天体物理学研究》上。

除了成功给银盘绘制一张“半身像”,LAMOST的海量数据还帮助人们进一步测量了银晕的形状。研究人员首先从数据中剥离了银盘上的恒星,然后只使用银晕恒星绘制出银河系13万光年内的三维结构图。他们惊讶地发现,银晕具有复杂的构成——内部呈扁球形,外部则逐渐变成球形。这一清晰的观测证据推翻了前人关于银晕结构的很多猜测,展现了全新的银晕图像。

次年,他带领研究团队与西班牙加纳利天体物理研究所科学家联手,进一步利用国际上公开的海量恒星光谱,再次改写了银盘尺寸。他们发现,包含了银河系中大多数恒星所组成的盘状结构,可能比天文学家之前认为的大很多——半径可能达到约10万光年,“银河系的疆界再次被大大拓展”。

与此同时,面对仪器、台址、观测模式等诸多问题,来自国家天文台、北京大学、上海天文台等单位的天文学家并没有放弃,他们会同美方的合作专家和LAMOST运行中心以及南京天光所的工作人员们经过无数日夜的磨合、探讨,有时甚至是争执,不断探明问题原因,寻找解决和改进方案。尽管不是所有问题都最终得到解决,但是经过三年不懈努力,LAMOST终于完成了一次不算完美但也差强人意的蜕变。那个志存高远、要为宇宙画像的LAMOST最终变成了脚踏实地、给银河系做“星口普查”的“郭守敬”了。

观测天文学家对此当然非常兴奋,如同在后院挖出了一大块金子。理论学家就要费些脑筋了,因为他们需要解释为什么银晕不是一个简单的扁球或球形结构,而是保持这样一个复杂变化的形状,以及它是否预示银河系在一百亿年以前形成之初时经历过什么特殊的物理过程。

刘超说,以前由于观测能力不足,科学家得到的有效样本较少,也许只能在某些位置看到一两颗星,便很难确定其结构。银河系的尺寸之所以会“变大”,主要是因为观测能力提升了,观测的样本多了,统计上就会变得更为清楚、扎实。

1年先导巡天加上5年正式巡天下来,90%以上的LAMOST光谱都是恒星光谱,尽管没有官方声明,LAMOST巡天事实上已经成为以银河系巡天为主导的项目了。

一幢久居的老屋,表面上你似乎对它的每一块砖、每一片瓦、每一扇窗都了然于胸。可是当你真正睁开双眼去看它时,陈旧的老屋里总是给你带来各种惊喜。银河系就是这样的一幢老屋。居住了46亿年后,当人类睁开眼认真审视它时,惊喜的发现仍会接踵而来。LAMOST巡天则是那双明亮的眼睛,在它的审视下,谁能说不会有新的更大的银河宝藏被它挖掘出来呢?

他说,银盘半径大小被两次刷新,从2017年发现增大25%,到2018年增大到一倍,这一成果使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。

■危与机

(作者系中科院国家天文台副研究员)

此外,中国科学家还根据郭守敬望远镜最新数据改写了银河系晕的结构特征,确立为内扁外圆的新结构。“这一清晰的证据推翻了前人关于恒星晕是一个轴比不变的扁球体的猜测,有助于人类重新理解银河系恒星晕的形成历史和演化。”刘超说。

进入21世纪以来,银河系研究掀起了一个全球性的高潮,LAMOST“被迫”转入银河系研究反而促成了它的成功。在整个2010年代,甚至到2020年代前半段,LAMOST银河系巡天产出的数据都将是全球银河系研究独一无二的财富。

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危与机是硬币的两面。LAMOST曾经处于危险的边缘,如果那次抓住机遇的话它可能成为宇宙学研究最重要的巡天项目之一。危情之下,LAMOST幸运地抓住了另一个机遇——银河系巡天。

银盘半径大小变化示意图。元博/绘制

LAMOST实际上并非主动决定以银河系巡天为其新的主要科学目标,情势所迫而已。但是,刚巧进入21世纪以来银河系研究掀起了一个全球性的高潮。首先是SDSS在银河系领域完成了几项开创性发现,从而使银河系的话题成为焦点,其次Lambda冷暗物质宇宙模型在大尺度、高红移获得了极大成功,但仍然需要在星系尺度上得到有效验证,银河系刚好是一个最佳探测星系。在这样的背景下LAMOST“被迫”转入银河系研究反而促成了它的成功。

郭守敬千里镜,给银河系画张。搜寻奇异天体,能否找到“另一个地球”?

在整个2010年代,甚至到2020年代前半段,LAMOST银河系巡天产出的数据都将是全球银河系研究独一无二的财富。2013年,欧洲空间局发射了Gaia天体测量卫星,从而开启了银河系研究的新纪元。从2016年Gaia发布第一批数据一直到2025年左右,LAMOST都将是与Gaia匹配最好的地面光谱巡天项目,因而被全球天文学家所重视。LAMOST注定会和Gaia是天生的一对。即便没有Gaia数据,迄今为止LAMOST也在稀有恒星探测、银河系结构、恒星运动学等方面做出了一批具有重要意义的成果;在太阳运动速度、暗物质密度测定、银河系总质量称量等方面给出了新的结果。特别需要指出的是,LAMOST和著名的Kepler巡天项目开展了紧密合作,在系外行星研究和恒星物理方面取得了非常突出的成果,发表在包括《自然》在内的国际顶级学术期刊上,展现了其国际影响力。基于LAMOST的数据发表的科学论文已经有大约20%是完全由国际团队独立做出的,这更凸显了LAMOST项目越来越重要的学术价值。和同时期、同类型国际其他恒星光谱巡天相比,LAMOST在科学产出上并不落下风,科学成果的影响力也正在逐渐显现出来。可以说LAMOST银河系巡天前景一片光明。

走近郭守敬望远镜,可以看到,这个庞然大物主要由球面主镜和主动非球面改正镜拼接而成,而这两块镜子又是由37块和24块子镜拼接而成。加之焦面上放置的4000根光纤,16台光谱仪和32台CCD相机,使其成为目前世界上光谱获取率最高的望远镜。

■过去—现在—未来

中国科学院院士、郭守敬望远镜运行和发展中心总工程师崔向群打了一个比方,郭守敬望远镜同时具备大视场和大口径的优势,“就像是在给天体做‘人口普查’”。

由于计划和结果南辕北辙,LAMOST算不上一个成功的大科学项目。但它仍是世界上银河系研究最核心的重器之一,是中国天文学跻身世界的重要标志。中国天文学家理应站在中国天文学的整体利益上考量LAMOST的功与过,给它一个公正的历史评价。

事实上,茫茫宇宙中的确存在不少“未知人口”,一旦发现就有望改写人类的认知史。中国科学院国家天文台副研究员李海宁说,越是奇异的天体,越可能留存其形成演化过程中的重要信息,记录下宇宙中稀有的奇特事件。

如果从1997年立项,甚至更早的项目建议阶段梳理LAMOST的科学目标,我们会发现今天的巡天项目可能是一个“假”的LAMOST。

郭守敬望远镜在这方面就立下不少汗马功劳。李海宁说,这台望远镜不仅为科学家提供了海量数据,还为天文学家利用其他望远镜进行精细跟踪研究,提供了宝贵资源。

从那些研究宇宙学和河外天体的天文学家的立场出发,怎么批评LAMOST都可以理解,毕竟当初这些人都被忽悠得不要不要的。最后呢,LAMOST压根没干成那些事。

年老的贫金属星,就像宇宙“化石”一样记录了宇宙化学演化的最初历史,对它们的分析,可以实现对第一代恒星和早期宇宙本质的“恒星考古”。

可是如果大家站在宽容的角度,从我国天文学整体发展来看,LAMOST如今的成绩也算斐然,还是可以拿出来展示一番的。尽管LAMOST开始的时候并不是以银河系为主要目标,但最终却成了世界上银河系研究最核心的重器之一,成为中国天文学跻身世界的重要标志。

李海宁说,科学家在郭守敬望远镜光谱中,已经发现了万余颗“金属含量低于太阳百分之一乃至万分之一”的贫金属星,构建了目前世界上最大的、适合现有大望远镜跟踪观测的宇宙化石样本。

如果还要非说LAMOST失败,未免就有些小家子气了。当然,也不必大吹大擂它如何大获成功——不要忘了即便有这么多人这么艰辛地把它从一具“僵尸”拉回到了正轨,这个大科学项目如今仍是与当初的计划南辕北辙,这无论如何都有些尴尬。也许仅是运气成分更多一些,加上很多实际参与人员自始至终不抛弃不放弃。还要感谢天上的那些恒星,因为它们比星系更亮,比星系更多。

这种寻找并不容易,李海宁打了个比方,在郭守敬望远镜近千万光谱中,科学家是在大海捞针般搜寻奇异天体,有一个浪漫的说法叫“星海拾珍”。

我一直为之自豪的一点就是天文学家总是能够游刃有余地游走在时间轴上,在过去、现在、未来之间御风而行。哪个行当能有天文学家那样宽广的胸襟,容下百亿年的沧海桑田?在对待LAMOST的问题上,中国天文学家也要有如此的胸襟。看过去,看现在,看将来,不要被自己狭小的研究领域和利益纠葛所禁锢,站在中国天文学的百年大计上考量LAMOST的功与过,给它一个公正的历史评价。

他们还发现了5颗超高速星,而世界上目前已证认的超高速星,也仅有20余颗。李海宁说:“最新发现的超高速星为深入研究这类速度很高,最终能够脱离银河系引力束缚,‘逃离’银河系的恒星的形成机制提供了重要的样本。”

(作者:刘超,系中国科学院国家天文台副研究员)

既然这台望远镜能够找到这些“奇怪的天体”,那么能否找到地外生命和智慧生命,解开“银河系中有无我们的同类”这个备受关注的谜题?

(原载于《科技日报》2017-08-2308版)

赵刚说,郭守敬望远镜首次测量了近700颗太阳系外行星的轨道偏心率和倾角,发现约八成的行星轨道都如同太阳系的近圆形轨道。

“这表明,太阳系在宇宙中并不是一个特例而是具有一定代表性的。在某种程度上增强了人类寻找另一个地球和地外生命的信心。”赵刚说。

近些年,随着一些重大科学发现的出炉,暗物质越来越受到公众的关注。赵刚说,暗物质占星系总质量的90%以上,但大多数分布很弥散,在太阳所在位置处暗物质所占比例非常低。

“这就给我们直接探测暗物质带来了巨大困难。利用郭守敬望远镜数据对太阳附近的暗物质密度进行了重新估算。这对寻找暗物质粒子、理解暗物质在银河系中的分布具有重要意义。”他说。

银河系外的宇宙是什么样,未来给天体“拍视频”?

当然,郭守敬望远镜的视线所及,并不局限于银河系。即便是在银河系之外的天体,这只“千里眼”也能瞥见,比如类星体。

中国科学院国家天文台研究员、郭守敬望远镜运行和发展中心常务副主任赵永恒说,类星体是银河系外发光巨大的遥远天体,其能源来自其中心“超大质量黑洞所吸积周围物质”释放的巨大引力能,是研究遥远宇宙的重要探针。

截至目前,科学家在郭守敬望远镜光谱中,已经发现1.2万余颗类星体,他们的平均红移为1.5,最高红移为5。值得一提的是,“科学家还估算出了其中心黑洞质量,这些类星体的发现将对大样本类星体的统计研究提供重要帮助。”赵永恒说。

近邻主星系样本,是21世纪开始的大规模星系光谱巡天中的经典之作。不过,由于光纤碰撞效应,该样本在小尺度上具有较高的不完备性。郭守敬望远镜巡天中,便将这些“遗漏的星系”作为补充星系样本进行观测。

赵永恒说,郭守敬望远镜由于巡天范围广,在一期巡天中获得了近万个补充星系的光谱测量,新增证认了近万个“密近星系对”,“这些‘密近星系对’为研究星系的并合过程具有重要的科学价值”。

这些在一定程度上帮着人类描绘银河系外的遥远宇宙“是什么样”“有什么特点”。

崔向群说,郭守敬望远镜在世界上是独一无二的, 它所取得的观测结果填补了我国大型天文基础数据的空白,为科学家们了解宇宙打开了一扇新窗口。

赵刚透露,经过一年的调试,郭守敬望远镜将于今年9月开始第二期巡天,二期巡天计划为期5年,相比一期的“低分辨率光谱巡天”,二期主要工作为“中分辨率光谱巡天”,分辨率更高,就有着巨大的优势:光谱分辨率增加4倍、视向速度精度增加5倍、恒星基本参数测量精度增加1倍。

“如果说低分辨率巡天是给天体拍照,那么中分辨率巡天就是给天体‘拍视频’。”赵刚说。

二期巡天有四大科学目标:“给天体拍视频”,探测恒星内部结构及双星的演化;“寻宗问祖”,揭秘天体化学组成DNA和家族史;探测系外行星宿主恒星及其性质;观测恒星形成区,揭示恒星“幼年期”的性质。

赵刚预计,二期巡天预计可获得约300万条中分辨率光谱,有望显著提升研究恒星物理、银河系形成及演化历史的能力。他同时建议,有关方面应尽快建设更大口径即“更高视力”的光学望远镜——“人口普查”做完了,接下来就该做“精准分析”了。

中国青年报·中青在线记者 邱晨辉 来源:中国青年报

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