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          給“明星”做“人口普查”,LAMOST憑啥?

          給“明星”做“人口普查”,LAMOST憑啥?

          2021年04月19日 08:37 來源:科技日報參與互動參與互動

            發布約1700萬條光譜、775萬組恒星參數

            給“明星”做“人口普查”,LAMOST憑啥?

            實習記者 于紫月

            在LAMOST建成之前,人類通過拍照觀測的天體已達上百億個,但進行過光譜觀測的天體僅占萬分之一。LAMOST開拓了國際天文領域大規模光譜巡天的先河。自此以后,天體光譜數據呈井噴式增長。

            趙永恒

            LAMOST運行和發展中心常務副主任

            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”就是中國科學院國家天文臺的國家重大科學工程——郭守敬望遠鏡(LAMOST)。

            近日,LAMOST的1年先導巡天和8年正式巡天的數據集對國內天文學家和國際合作者發布。其包含約1700萬條光譜、775萬組恒星參數,數據產品精度達到國際先進水平。

            此次發布的數據有何特點?光譜望遠鏡“領頭羊”LAMOST曾立下過哪些赫赫戰功?它的下一步觀測計劃是什么?帶著一系列問題,科技日報記者專訪了LAMOST運行和發展中心常務副主任趙永恒。

            為恒星登記造冊 打造銀河系基礎數據庫

            LAMOST是“大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”的英文簡稱。通過國家驗收后不久,它被正式冠名為“郭守敬望遠鏡”。而郭守敬是一位發明過多種觀測儀器的元代天文學家。

            LAMOST“看”什么?恒星。

            與傳統的“照相式”天文望遠鏡不同,LAMOST不是給某一片天區的恒星們拍合照,而是獲取它要觀測的每一顆星的光譜信息。

            1825年,法國哲學家孔德斷言:“恒星的化學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,光譜學誕生,天體物理學從此正式成為天文學的一個重要分支。

            科學家發現,每個化學元素都有自己獨特的光譜曲線,就如同身份證一般具有辨識性。從那時起,人們才意識到,原來遙遠而神秘的星光歷經漫漫星際旅行,滿身風塵跌跌撞撞投進地球懷里,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,我們不僅能發現恒星的化學組成和元素豐度,還能推出它的許多性質,例如天體類型、距離、視向速度、物理條件(溫度、密度、壓強等)、天體年齡等,從大量天體的光譜觀測中還可以發現許多特殊的天體和天文現象。

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

            而所有這些,都將服務于LAMOST設立之初的三大科學目標:研究銀河系結構和演化、星系和宇宙學,以及多波段目標證認。

            自2011—2012年先導巡天完成后,LAMOST從2012年9月開始正式巡天,截至2020年6月,已走過8個年頭。

            “此次,我們更新了數據處理系統,花了9個月的時間,將1年先導巡天和8年正式巡天的數據全部重新處理一遍,保障了巡天數據的系統性、一致性和完整性,方便研究人員取用。”趙永恒說。

            海量、繁雜的光譜巡天數據通過處理和質量分析等工作后,將分門別類地貼上相應“標簽”,歸入數據庫,成為構建“數字銀河系”的重要基石,等待科學家們調取、研究。

            據悉,國家天文科學數據中心為此次數據發布搭建了專門的數據發布平臺,科學用戶可登錄網站進行數據查詢和下載。

            看得既清且多 開創大規模光譜巡天先河

            開放與共享是天文學界的優良傳統,更被LAMOST一以貫之。

            每年,LAMOST都會公布它的最新數據。這些數據最先是向國內天文學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據所創造的研究價值驚人。“我們做過一項調查,將使用LAMOST數據發表研究成果的論文檢索出來,發現約1/3的成果都是利用其全部開放的數據研究所得。”趙永恒介紹。同一個宇宙,同一片星空。這一調查結果再次驗證了共享觀測數據對于促進宇宙認知的重要意義,另一方面也顯示出,LAMOST基礎數據庫就像一座富礦,等待著淘金的冒險家們去不斷挖掘。那么,問題來了。LAMOST究竟有何手段,能夠獲取到諸多高價值數據?

            趙永恒指出,LAMOST有兩大創新技術:主動光學技術和并行可控式光纖定位技術。古人云,魚和熊掌不可兼得。對于望遠鏡而言,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。而上述兩大技術讓LAMOST看得既清又多。

            主動光學技術是主動改變鏡片形狀,“自動聚焦”讓成像更加清晰。LAMOST創造性地應用此技術,突破了望遠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鏡。

            早前,一臺光譜望遠鏡同一時間只能觀測一個天體。后來,隨著科技的發展,光譜望遠鏡的同期觀測數量才逐漸多起來。直到LAMOST建成前夕,國際上同類設備一次最多能觀測640個天體。LAMOST呢?答案是4000個。

            1.75米的焦面板上密密麻麻地安插著4000根光纖,LAMOST自動光纖定位系統可在數分鐘的時間內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,動輒耗費幾個小時。且每次更換觀測天區前,都要對標星表位置調整光纖位置,不僅耗時耗力,定位精度也差。而LAMOST光纖定位誤差不超過40微米,比一根頭發絲還要細。

            “LAMOST復雜的設計和制造,全部由中國科學家完成。在它建成之前,人類通過拍照觀測的天體已達上百億個,但進行過光譜觀測的天體僅占萬分之一。”趙永恒指出,LAMOST開拓了國際天文領域大規模光譜巡天的先河。自此以后,天體光譜數據呈井噴式增長。

            多領域碩果累累 二期巡天詳繪璀璨星圖

            從LAMOST數據庫的富礦里,科學家們已經淘到了諸多寶藏。

            在銀河系結構研究領域,基于LAMOST數據,科學家改寫了以往學界對銀河系大小的認識,發現銀河系比此前認為的大一倍。另一代表性的成果是LAMOST重新確立了銀暈結構新圖像。研究人員對恒星分布分析發現,銀暈內部呈扁球形,外部則逐漸變成球形,恒星數密度以一種新的規律由內向外減少。這一清晰的觀測證據推翻了前人關于恒星暈是一個軸比不變的扁球體的猜測。

            在銀河系演化領域,基于LAMOST數據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巡天優勢,研究人員發現一顆恒星級黑洞。該成果顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知,有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。LAMOST還發現了被稱為宇宙中“最大充電寶”的鋰元素含量最高的恒星。發現上萬顆富鋰巨星候選體,構建了目前國際上數據量最大的富鋰巨星樣本。

            “基于LAMOST數據的研究成果多不勝數,以上僅是有代表性的幾例。”趙永恒介紹,LAMOST的觀測每5年為一個階段,并設立相應目標。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、低分辨率交替進行的光譜巡天模式。觀測任務也有所不同,一期旨在“掃視”,大致繪制出觀測天區的星圖;二期重在“注視”,對感興趣的區域重點觀測。

            趙永恒表示,當下正處于LAMOST二期巡天階段,每年將有200萬—300萬光譜數據的產出,預計到2022年,該望遠鏡發布的光譜數量有望突破2000萬條。

          【編輯:黃鈺涵】
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