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

來源:科技日?qǐng)?bào)

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

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1700萬條光譜、775萬組恒星參數(shù),數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水

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(cè)計(jì)劃是什么?帶著一系列問題,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

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)組成是人類絕不能得到的知識(shí)。”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(shí)。從那時(shí)起,人們才意識(shí)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(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)、一致和完整,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(guó)家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心為此次數(shù)據(jù)發(fā)布搭建了專門的數(shù)據(jù)發(fā)布臺(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(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)際合作者開放,一年半后會(huì)向全社會(huì)開放。

這些向全社會(huì)開放的數(shù)據(jù)所創(chuàng)造的研究?jī)r(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(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)庫就像一座富礦,等待著淘金的冒險(xiǎn)家們?nèi)ゲ粩嗤诰?。那么,問題來了。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(dòng)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(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,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。直到LAMOST建成前夕,國(guó)際上同類設(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,人類通過拍照觀測(cè)的天體已達(dá)上百億個(gè),但進(jìn)行過光譜觀測(cè)的天體僅占萬分之一。”趙永恒指出,LAMOST開拓了國(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。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(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—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。

標(biāo)簽: LAMOST 恒星 銀河系 數(shù)據(jù)庫

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