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给“明星”做“人口普查”,LAMOST凭啥?

2021-04-19 10:02 来源:科技日报

  实习记者 于紫月 

  在LAMOST建成之前,人类通过拍照观测的天体已达上百亿个,但进行过光谱观测的天体仅占万分之一。LAMOST开拓了国际天文领域大规模光谱巡天的先河。自此以后,天体光谱数据呈井喷式增长。 

  赵永恒 

  LAMOST运行和发展中心常务副主任 

  夜幕降临,万物俱寂。静谧的燕山之巅,一只“巨眼”缓缓睁开,眺望浩渺星空,追寻宇宙奥秘。这只“眼”就是中国科学院国家天文台的国家重大科学工程——郭守敬望远镜(LAMOST)。 

  近日,LAMOST的1年先导巡天和8年正式巡天的数据集对国内天文学家和国际合作者发布。其包含约1700万条光谱、775万组恒星参数,数据产品精度达到国际先进水平。 

  此次发布的数据有何特点?光谱望远镜“领头羊”LAMOST曾立下过哪些赫赫战功?它的下一步观测计划是什么?带着一系列问题,科技日报记者专访了LAMOST运行和发展中心常务副主任赵永恒。 

  为恒星登记造册 打造银河系基础数据库 

  LAMOST是“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”的英文简称。通过国家验收后不久,它被正式冠名为“郭守敬望远镜”。而郭守敬是一位发明过多种观测仪器的元代天文学家。 

  LAMOST“看”什么?恒星。 

  与传统的“照相式”天文望远镜不同,LAMOST不是给某一片天区的恒星们拍合照,而是获取它要观测的每一颗星的光谱信息。 

  1825年,法国哲学家孔德断言:“恒星的化学组成是人类绝不能得到的知识。”然而不久后,这一判断便被无情推翻。彼时,光谱学诞生,天体物理学从此正式成为天文学的一个重要分支。 

  科学家发现,每个化学元素都有自己独特的光谱曲线,就如同身份证一般具有辨识性。从那时起,人们才意识到,原来遥远而神秘的星光历经漫漫星际旅行,满身风尘跌跌撞撞投进地球怀里,带来的不仅仅是“它在那里”的消息,还有“它以什么形式在那里”的诸多秘密。 

  基于光谱分析,从这簇星光中,我们不仅能发现恒星的化学组成和元素丰度,还能推出它的许多性质,例如天体类型、距离、视向速度、物理条件(温度、密度、压强等)、天体年龄等,从大量天体的光谱观测中还可以发现许多特殊的天体和天文现象。 

  为此,赵永恒将光谱望远镜LAMOST的工作形象地比喻成为恒星做“人口普查”。 

  而所有这些,都将服务于LAMOST设立之初的三大科学目标:研究银河系结构和演化、星系和宇宙学,以及多波段目标证认。 

  自2011—2012年先导巡天完成后,LAMOST从2012年9月开始正式巡天,截至2020年6月,已走过8个年头。 

  “此次,我们更新了数据处理系统,花了9个月的时间,将1年先导巡天和8年正式巡天的数据全部重新处理一遍,保障了巡天数据的系统性、一致性和完整性,方便研究人员取用。”赵永恒说。 

  海量、繁杂的光谱巡天数据通过处理和质量分析等工作后,将分门别类地贴上相应“标签”,归入数据库,成为构建“数字银河系”的重要基石,等待科学家们调取、研究。 

  据悉,国家天文科学数据中心为此次数据发布搭建了专门的数据发布平台,科学用户可登录网站进行数据查询和下载。 

  看得既清且多 开创大规模光谱巡天先河 

  开放与共享是天文学界的优良传统,更被LAMOST一以贯之。 

  每年,LAMOST都会公布它的最新数据。这些数据最先是向国内天文学家和国际合作者开放,一年半后会向全社会开放。 

  这些向全社会开放的数据所创造的研究价值惊人。“我们做过一项调查,将使用LAMOST数据发表研究成果的论文检索出来,发现约1/3的成果都是利用其全部开放的数据研究所得。”赵永恒介绍。同一个宇宙,同一片星空。这一调查结果再次验证了共享观测数据对于促进宇宙认知的重要意义,另一方面也显示出,LAMOST基础数据库就像一座富矿,等待着淘金的冒险家们去不断挖掘。那么,问题来了。LAMOST究竟有何手段,能够获取到诸多高价值数据? 

  赵永恒指出,LAMOST有两大创新技术:主动光学技术和并行可控式光纤定位技术。古人云,鱼和熊掌不可兼得。对于望远镜而言,大口径意味着“看得清”,大视场会“看得多”,二者就是一对鱼和熊掌的矛盾体。而上述两大技术让LAMOST看得既清又多。 

  主动光学技术是主动改变镜片形状,“自动聚焦”让成像更加清晰。LAMOST创造性地应用此技术,突破了望远镜大口径与大视场难以兼得的瓶颈,令其成为世界上口径最大的大视场兼大口径及光谱获取率最高的望远镜。 

  早前,一台光谱望远镜同一时间只能观测一个天体。后来,随着科技的发展,光谱望远镜的同期观测数量才逐渐多起来。直到LAMOST建成前夕,国际上同类设备一次最多能观测640个天体。LAMOST呢?答案是4000个。 

  1.75米的焦面板上密密麻麻地安插着4000根光纤,LAMOST自动光纤定位系统可在数分钟的时间内将光纤按星表位置精确定位,随之展开观测。 

  此前,国际上常用的是人工摆放光纤等做法,动辄耗费几个小时。且每次更换观测天区前,都要对标星表位置调整光纤位置,不仅耗时耗力,定位精度也差。而LAMOST光纤定位误差不超过40微米,比一根头发丝还要细。 

  “LAMOST复杂的设计和制造,全部由中国科学家完成。在它建成之前,人类通过拍照观测的天体已达上百亿个,但进行过光谱观测的天体仅占万分之一。”赵永恒指出,LAMOST开拓了国际天文领域大规模光谱巡天的先河。自此以后,天体光谱数据呈井喷式增长。 

  多领域硕果累累 二期巡天详绘璀璨星图 

  从LAMOST数据库的富矿里,科学家们已经淘到了诸多宝藏。 

  在银河系结构研究领域,基于LAMOST数据,科学家改写了以往学界对银河系大小的认识,发现银河系比此前认为的大一倍。另一代表性的成果是LAMOST重新确立了银晕结构新图像。研究人员对恒星分布分析发现,银晕内部呈扁球形,外部则逐渐变成球形,恒星数密度以一种新的规律由内向外减少。这一清晰的观测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。 

  在银河系演化领域,基于LAMOST数据能做的研究五花八门。如银盘恒星类型分析、恒星如何演化、星系并合过程分析、确认某颗恒星是“土著居民”还是“星系际移民”等等。 

  对于特殊天体的研究,LAMOST也十分给力。例如,借助LAMOST巡天优势,研究人员发现一颗恒星级黑洞。该成果颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。LAMOST还发现了被称为宇宙中“最大充电宝”的锂元素含量最高的恒星。发现上万颗富锂巨星候选体,构建了目前国际上数据量最大的富锂巨星样本。 

  “基于LAMOST数据的研究成果多不胜数,以上仅是有代表性的几例。”赵永恒介绍,LAMOST的观测每5年为一个阶段,并设立相应目标。2012—2017年为一期低分辨光谱巡天阶段。2018—2023年为二期中分辨率光谱巡天阶段,采用中、低分辨率交替进行的光谱巡天模式。观测任务也有所不同,一期旨在“扫视”,大致绘制出观测天区的星图;二期重在“注视”,对感兴趣的区域重点观测。 

  赵永恒表示,当下正处于LAMOST二期巡天阶段,每年将有200万—300万光谱数据的产出,预计到2022年,该望远镜发布的光谱数量有望突破2000万条。

(责任编辑:支艳蓉)

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2021-04-19 10:02 来源:科技日报
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